Potencjał perowskitowych ogniw słonecznych
Perowskitowe ogniwa słoneczne rozwijają się w szybkim tempie i wzbudzają zainteresowanie naukowców pracujących nad zwiększaniem ich wydajności, a także lepszym zrozumieniem, w jaki sposób oferują one tak niezwykłą, stale rosnącą wydajność.
Tworząc kryształy perowskitów, uczeni odkryli nieoczekiwane zachowanie, które reprezentuje zupełnie nowy stan materii, który, jak twierdzą, może pomóc w rozwoju zaawansowanych ogniw słonecznych oraz innych urządzeń optycznych i elektronicznych. Jednym z powodów takiego zainteresowania perowskitowymi ogniwami słonecznymi jest sprzeczny z intuicją sposób, w jaki są one w stanie oferować tak doskonałe działanie pomimo defektów w ich strukturze krystalicznej. Podczas gdy wiele badań koncentruje się na naprawianiu tych defektów w celu zwiększenia ich wydajności poprzez obróbkę chemiczną, klej molekularny, a nawet spryskiwanie związków chili, faktem jest, że materiał jest znacznie skuteczniejszym półprzewodnikiem niż powinien.
– Historycznie rzecz biorąc, ludzie używali masowych półprzewodników, które są dobrymi kryształami – mówi Patanjali Kambhampati, profesor nadzwyczajny na Wydziale Chemii Uniwersytetu McGill. – A teraz nagle ten niedoskonały, miękki kryształ zaczyna działać do zastosowań półprzewodnikowych, od fotowoltaiki po diody LED. To jest punkt wyjścia dla naszych badań: jak coś, co jest wadliwe, może działać w doskonały sposób.
Ta praca jest właściwie kontynuacją wcześniejszych badań, które wykazały, że chociaż perowskity mogą wyglądać jak substancja stała, w rzeczywistości mają pewne cechy cieczy. Ta dwoistość natury jest w dużej mierze przypisywana strukturze sieci atomowej, która odkształca się, gdy napotyka wolne elektrony, zjawisku znanemu jako formowanie biegunów. Można to porównać do sposobu, w jaki trampolina rozciąga się i zmienia kształt po rzuceniu na jej środek dużym kamieniem.
Tam, gdzie trampolina stopniowo rozprasza tę energię, gdy skała przestaje podskakiwać, okazuje się, że prawdą jest odwrotna sytuacja zachodząca w przypadku deformującej się struktury sieci atomowej kryształów perowskitu. Zespół obserwował ten proces w akcji za pomocą spektroskopii pompy/sondy do badania dynamiki elektronowej kryształów perowskitu i nieoczekiwanie odkrył ogólny wzrost energii po odkształceniu.
Naukowcy twierdzą, że jest to efekt działania kryształów perowskitu zachowujących się jak kropki kwantowe, które same w sobie okazały się obiecującym sposobem na ulepszenie technologii ogniw słonecznych. Te maleńkie, płaskie kryształy półprzewodnikowe są tak małe, że w wyjątkowy sposób ograniczają ruch elektronów, co nadaje im odmienne właściwości. Zjawisko to, znane jako uwięzienie kwantowe, było wcześniej obserwowane tylko w cząstkach o wielkości kilku nanometrów. Zdaniem naukowców fakt, że obecnie zaobserwowano jego grę w kryształach perowskitu, które są znacznie większe, oznacza odkrycie nowego stanu materii.
– To, co robi polaron, to zamyka wszystko w dobrze zdefiniowanym przestrzennie obszarze – mówi Kambhampati. – Jedną z rzeczy, które nasza grupa była w stanie pokazać, jest to, że polaron miesza się z ekscytonem, tworząc coś, co wygląda jak kropka kwantowa. W pewnym sensie przypomina płynną kropkę kwantową, którą nazywamy kroplą kwantową. Mamy nadzieję, że badanie zachowania tych kropli kwantowych przyczyni się do lepszego zrozumienia, jak konstruować odporne na defekty materiały optoelektroniczne.
Źródło: McGill University
