Перовскиты, используемые учеными KIT, представляют собой металлоорганические соединения с особой кристаллической структурой и превосходными фотоэлектрическими свойствами. С момента открытия в 2009 году перовскитовые солнечные элементы быстро развивались. Между тем, они достигают эффективности преобразования энергии более 20 процентов.
Это делает их одной из самых многообещающих фотоэлектрических технологий. Однако исследования перовскитных солнечных элементов сталкиваются с двумя особыми проблемами: светопоглощающие слои должны быть более устойчивыми к воздействию окружающей среды, а содержащийся в них свинец должен быть заменен экологически более совместимыми элементами. Это требует глубокого понимания физических механизмов, обеспечивающих высокую скорость преобразования поглощенной солнечной энергии в электрическую.
Междисциплинарная группа исследователей во главе с доктором. Александр Колсманн, руководитель группы органической фотовольтаики Института световых технологий (LTI) KIT и Центра исследования материалов для энергетических систем (MZE) проанализировал перовскитные солнечные элементы с помощью силовой микроскопии пьезоотклика, специального типа сканирующей силовой микроскопии и обнаружил сегнетоэлектрик. наноструктуры в светопоглощающих слоях. Сегнетоэлектрические кристаллы образуют домены с одинаковым направлением электрической поляризации.
Ученые KIT наблюдали, что во время разработки тонких слоев перовскиты иодида свинца образуют полосы сегнетоэлектрических доменов шириной около 100 нм с переменными электрическими полями. Эта переменная электрическая поляризация в материале может играть важную роль в переносе фотогенерированных зарядов из солнечного элемента и, следовательно, объяснять особые фотоэлектрические свойства перовскитов.
«Эти сегнетоэлектрические структуры размером всего несколько 10 нм могут образовывать почти идеально разделенные пути транспортировки носителей заряда в солнечном элементе», — объясняет Александр Колсманн. Исследователи много лет искали такие структуры, чтобы повысить эффективность солнечных элементов. «В перовскитных солнечных элементах эти структуры, кажется, развиваются сами по себе при определенных условиях», — сказал профессор Майкл Дж. Хоффманн, руководитель отдела керамических материалов и технологий и директор Института прикладных материалов KIT (IAM-KWT), говорит:. Он знает похожие сегнетоэлектрические структуры по исследованиям керамики.
Предыдущие теоретические исследования других исследователей уже предсказали эти выгодные наноструктуры. Однако пока никаких доказательств не найдено.
Ученые KIT изучали сегнетоэлектричество перовскитов галогенида свинца в рамках проекта «NanoSolar», финансируемого Фондом земли Баден-Вюртемберг.