Исследователи из университета Тиба (Япония) под руководством профессора Хироюки Ёсиды разработали первую универсальную модель выравнивания энергетических уровней на границе раздела электрод/HCM/перовскит, что позволит повысить эффективность и стабильность перовскитных солнечных элементов (PSC).
Фото: Interesting Engineering
За последнее десятилетие перовскитные солнечные элементы вышли на передний план среди возобновляемых источников энергии нового поколения. Они сочетают высокую эффективность преобразования энергии с низкой стоимостью производства на основе растворов. Лёгкая конструкция также открывает возможности применения за пределами традиционных панелей — в окнах, транспортных средствах и портативных устройствах.
Значительный прогресс был достигнут благодаря внедрению дырочно-собирающих монослоёв (HCM) — ультратонких интерфейсных слоёв, извлекающих положительные заряды из перовскита. Эти материалы помогли довести эффективность однопереходных PSC до 26,9% и повысить их стабильность. Однако лежащая в основе физика оставалась плохо изученной. В частности, то, как выравниваются энергетические уровни на границе электрод-HCM-перовскит, продолжало вызывать споры. Существовало несколько конкурирующих моделей, что затрудняло прогнозирование характеристик и разработку новых материалов.
Для решения этой проблемы команда из университета Тиба впервые применила комбинацию ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии и низкоэнергетической обратной фотоэлектронной спектроскопии. Это позволило точно определить такие ключевые параметры, как работа выхода и энергия ионизации, что улучшило понимание поведения зарядов на критических интерфейсах.
Разработанная модель делит интерфейс электрод/HCM/перовскит на две отдельные области. На границе электрода и HCM выравнивание энергии определяется диполем интерфейса — электрическим полем, создаваемым ориентированными молекулярными диполями дырочно-собирающего монослоя. В то же время граница HCM и перовскита описывается с помощью теории полупроводниковых гетеропереходов — стандартной схемы в электронике для понимания взаимодействия материалов с разными энергетическими уровнями.
Согласно исследованию, два ключевых фактора контролируют эффективность сбора дырок в перовскитных солнечных элементах. Первый — изгиб зон, постепенное изменение энергетических уровней, вызванное встроенными электрическими полями на границах материалов. Второй — высота межфазного энергетического барьера, описывающая несоответствие энергий, которое может как способствовать, так и препятствовать переносу заряда между слоями.
Профессор Ёсида отмечает, что эти эффекты зависят лишь от нескольких фундаментальных параметров, включая работу выхода электрода, а также работы выхода и энергии ионизации HCM и перовскита. Модель последовательно объясняет, почему одни материалы HCM работают лучше других. Команда подтвердила её достоверность, сравнив прогнозы с экспериментальными результатами для широкого спектра комбинаций материалов.
«Предложенная модель обеспечивает чёткие правила отбора и принципы молекулярного дизайна для дырочно-собирающих монослоёв, помогая оптимизировать межфазное выравнивание энергии, одновременно сокращая время и стоимость разработки», — подчеркнул Ёсида. По его словам, это может привести к более высокой эффективности преобразования энергии и более воспроизводимым характеристикам устройств для различных систем материалов.
