Что происходит в фотоэлементе, когда на него прекращает падать солнечный свет, в основном зависит от используемого материала. Исследователи из Института полимерных исследований им. Макса Планка в Майнце смогли с высокой точностью измерить процессы, происходящие в фотоэлементе из перовскита.
Фотоэлементы из перовскита в настоящее время активно притягивают к себе исследователей: этот новый, дешевый и простой в обработке материал обладает почти идеальными физическими свойствами для преобразования света в электричество: поскольку он абсолютно черный, то даже очень тонкого слоя толщиной менее одной тысячной миллиметра достаточно, чтобы собрать весь падающий на него свет.
В то же время перовскит является очень хороший электропроводником, который может быстро и эффективно доставлять произведенные электрические заряды к контактам и подключенному оборудованию. Например, уже сегодня перовскитные фотоэлементы с эффективностью 22,7% при преобразовании световой энергии в электрическую энергию могут превосходить лучшие образцы поликристаллических кремниевых фотоэлементов (22,3%).
Однако, чтобы еще больше повысить эффективность и сделать перовскитные фотоэлементы пригодными для промышленного производства, для исследователей очень важно понять все процессы, происходящие в нем во время работы.
Вместе с исследователями из Политехнической школы Лозанны группе ученых, возглавляемой младшим профессором доктором Штефаном Вебером и руководителем группы доктором Рюдигером Бергером из Института полимерных исследований им. Макса Планка в Майнце удалось расшифровать процессы, происходящие после того, как свет прекращает падать на фотоэлемент.
Для обычных кремниевых фотоэлементов ответ очень простой: ток, создаваемый фотоэлементом, сразу возвращается к нулю. И совсем по-другому этот процесс происходит в перовскитных фотоэлементах: еще некоторое время он продолжает подачу тока. С другой стороны, ему требуется некоторое время, прежде чем он начинает вырабатывать электроэнергию на полную мощность после того, как свет появился. Этот нежелательный эффект называется гистерезисом.
Для анализа исследователи сознательно разломали фотоэлементы посередине и отполировали место разлома на небольшом участке шириной в несколько миллионных долей метра. Затем они расположили тонкий металлический наконечник в растровом электронном микроскопе над поперечным сечением фотоэлемента. Ширина этого металлического наконечника составляет всего около 10 нанометров — более чем в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Используя этот метод, известный как зондовая микроскопия Кельвина, исследователи смогли измерить электрическое напряжение на полированной поверхности поперечного сечения непосредственно под самым накончником. Благодаря специально разработанной версии этой измерительной техники ученые из Майнца смогли измерить профиль напряжения в отдельных слоях фотоэлемента не только пространственно, но и с высоким временным разрешением.
Профиль напряжения в фотоэлементе оказался чрезвычайно интересным, потому что он существенно влияет на разделение электрических зарядов, генерируемых светом: из-за электростатических сил положительные заряды мигрируют на отрицательный полюс, а отрицательные заряды на положительный полюс напряжения. На освещенной поверхности поперечного сечения фотоэлемента ученые из Майнца обнаружили скопление зарядов на краю слоя из перовскита, которое оставалось неизменным даже после того, как подача света была прекращена на короткое время.
«Эти заряды на границах перовскита играют основную роль в гистерезисе, потому что они поддерживают электрическое поле в фотоэлементе в течение полутора секунд после прекращения подачи света», — говорит Штефан Вебер. «И наоборот, это означает, что за счет целенаправленных модификаций на этих граничных площадях перовскита можно оказывать на гистерезис влияние или даже полностью подавлять его». Это важный шаг в развитии перовскитных фотоэлементов. Недавно исследователи опубликовали свои результаты в престижном журнале Energy Environmental Science.
Источник: https://www.solarserver.de/solar-magazin/nachrichten/aktuelles/2018/kw30/forscher-liefern-erklaerung-fuer-hysterese.html