Группа профессора Яны Вайнзоф из Интегрированного центра физики и фотонных материалов (IAPP) и Центра развития электроники Дрездена (cfaed) в Техническом университете Дрездена продемонстрировала новую концепцию солнечных элементов, которая использует способность материалов существовать в различные кристаллические фазы. Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.

Задача фотогальванического элемента — преобразовывать солнечный свет в электричество. При поглощении солнечного света генерируются пары носителей заряда, которые затем необходимо направить к противоположным сторонам фотоэлектрического диода для получения электрического тока. Чтобы облегчить этот процесс, большинство солнечных элементов включают гетеропереход , который обеспечивает благоприятный энергетический ландшафт для разделения зарядов.

Например, кремниевые солнечные элементы образуют гетеропереход путем электрического легирования каждой стороны устройства, образуя p-n-переход. С другой стороны, органические солнечные элементы основаны на смешивании различных типов материалов (донорных и акцепторных) для формирования объемного гетероперехода. Однако эти концепции часто неприменимы к появляющимся классам новых фотогальванических материалов.

Профессор Вайнзоф и ее команда продемонстрировали совершенно новую концепцию формирования гетероперехода для фотогальваники. Для этого исследователи используют тот факт, что материалы часто могут существовать в различных структурных конфигурациях, называемых кристаллическими фазами.

Это явление, называемое полиморфизмом, означает, что один и тот же материал может проявлять разные свойства в зависимости от конкретного расположения атомов и молекул в его структуре. Совместив две такие фазы одного и того же материала, профессор Вайнзоф и ее команда впервые продемонстрировали формирование солнечных элементов с фазовым гетеропереходом. В частности, исследователи выбрали перовскит из йодистого цезия и свинца — высокоэффективный поглотитель солнечных элементов — в бета- и гамма-фазах для реализации своей новой концепции.

«Оптические и электронные свойства йодида цезия-свинца в его бета- и гамма-фазах отличаются друг от друга», — объясняет профессор Вайнзоф. «Поместив гамма-перовскит поверх бета-перовскита, мы смогли изготовить солнечный элемент с фазовым гетеропереходом, который значительно более эффективен по сравнению с солнечными элементами на основе однофазных перовскитов». Исследователи показывают в своем исследовании, что верхний слой гамма-фазы влияет на производительность солнечных элементов несколькими способами.

«Даже тонкие слои гамма-перовскита привели к улучшению производительности за счет пассивации дефектов на поверхности нижнего слоя. Более толстые слои гамма-фазы привели к значительному улучшению всех параметров фотогальванических характеристик, при этом чемпионское устройство достигло эффективность преобразования энергии более 20%», — добавляет Ран Джи, ведущий автор исследования.

«Расширенный спектроскопический анализ показал, что это улучшение характеристик связано с повышенным поглощением света и формированием выгодного энергетического выравнивания между двумя фазами», — объясняет профессор Вайнзоф.

Важно отметить, что исследователи подтвердили, что фазовый гетеропереход остается стабильным во время работы солнечного элемента и даже подавляет миграцию ионов в поглотителе солнечного элемента, решая общую проблему для перовскитных материалов.

Чтобы реализовать концепцию фазового гетероперехода, ученые использовали два разных процесса изготовления верхнего и нижнего слоев. Такой разносторонний подход открывает путь к формированию других подобных структур в будущем. «Мы надеемся, что эта новая концепция в сочетании с простым способом изготовления фазовых гетеропереходов будет применима также к различным системам материалов в ряде электронных и оптоэлектронных устройств», — говорит профессор Вайнзоф.

Поскольку многие классы полупроводников демонстрируют полиморфизм, эта концепция может проложить путь к совершенно новым приложениям, работающим на основе фазовых гетеропереходов, которые могут быть созданы из одного материала с использованием простых и недорогих производственных процессов.