Термализация носителей заряда в перовскитных солнечных элементах: влияние катионного состава экспресс
Когда фотон поглощается в полупроводнике солнечной батареи, рождается пара носителей заряда — электрон и дырка, обладающие избыточной кинетической энергией. Подобно бегуну после интенсивной пробежки, эти горячие носители должны «остыть» — рассеять избыток энергии на колебаниях кристаллической решётки (фононах), прежде чем они смогут быть эффективно собраны на электродах и отдать энергию во внешнюю цепь. Если процесс термализации затягивается, часть энергии фотона безвозвратно теряется в виде тепла, снижая КПД устройства.
Чтобы выяснить, как состав перовскита влияет на скорость охлаждения горячих носителей, исследователи изготовили три идентичных по архитектуре солнечных элемента, различающихся только катионом в позиции A перовскитной структуры ABX₃: метиламмоний (MA), смесь метиламмония с формамидинием (MA/FA) и чистый формамидиний (FA). С помощью фемтосекундной лазерной спектроскопии с временным разрешением (pump-probe) они возбуждали образцы короткими световыми импульсами и отслеживали динамику релаксации носителей с высоких энергетических уровней на нижние — к краю зоны проводимости, откуда возможен эффективный перенос заряда в транспортные слои.
Эксперимент показал, что скорость термализации существенно зависит от катионного состава. Быстрее всего горячие носители остывают в перовските на основе чистого формамидиния, медленнее — в смешанном катионном составе, и наиболее медленно — в метиламмониевом. Хотя различия не достигают порядка величины, они статистически значимы и имеют практическое значение для оптимизации устройств.
Таким образом, даже точечная замена органического катиона в кристаллической решётке перовскита способна перенастроить весь каскад релаксации энергии. Это напоминает подбор оптимальной смазки для механизма: детали остаются прежними, но потери на трение уменьшаются. Полученные данные дают разработчикам солнечных батарей инструмент для рационального выбора состава перовскита под конкретные применения — например, для полупрозрачных фотоэлектрических окон или лёгких гибких панелей для крыш.
Перовскит назван в честь российского минералога Льва Перовского, но в солнечных батареях используется не природный минерал, а его синтетический аналог.