Uundaji wa Mitego Unaoweza Kubadilishwa Unaosababishwa na Mwanga katika Perovskites ya Halidi Mchanganyiko kwa Photovoltaics

Yaliyomo

1. Utangulizi & Muhtasari

Perovskites mchanganyiko wa kikaboni na kisio-kaboni, hasa aina zilizochanganywa halidi kama (CH₃NH₃)Pb(Br_xI_1-x)₃ (MAPb(Br,I)₃), zimeibuka kama nyenzo zenye matumaini kwa photovoltaics zenye ufanisi wa juu na gharama nafuu. Faida kuu ni uwezo wa kurekebisha pengo la optiki la bendi ($E_g$) kwa mfululizo kutoka takriban 1.6 eV (yenye iodidi nyingi) hadi 2.3 eV (yenye bromidi nyingi) kwa kubadilisha uwiano wa halidi (x). Uwezo huu wa kurekebisha huwafanya wafae kwa matumizi ya seli moja za jua na seli za jua zilizounganishwa. Hata hivyo, changamoto ya kudumu imekuwa kushindwa kwa seli za jua za perovskite zilizochanganywa halidi kufikia voltages za juu za mzunguko wazi ($V_{OC}$) zilizotarajiwa kutokana na pengo kubwa la bendi wakati maudhui ya bromidi ni ya juu (x > 0.25). Kazi hii inachunguza asili ya upungufu huu wa voltage, na kugundua hali inayoweza kubadilishwa, inayosababishwa na mwanga ambayo kimsingi inazuia utendaji.

2. Matokeo Muhimu & Matokeo ya Majaribio

Utafiti huu unaonyesha mabadiliko ya nguvu na yanayoweza kubadilishwa katika filamu nyembamba za MAPb(Br,I)₃ chini ya mwangaza, na kuwa na athari za moja kwa moja kwa sifa zao za optoelektroniki.

2.1 Mabadiliko ya Sifa za Optiki Chini ya Mwangaza

Chini ya mwangaza wa mara kwa mara sawa na jua 1 (100 mW/cm²), wigo wa fotoluminesheni (PL) wa perovskites zilizochanganywa halidi hupitia mabadiliko makubwa katika chini ya dakika moja. Kilele kipya cha PL kilichohamishwa kuelekea nyekundu kinaibuka kwa takriban 1.68 eV, bila kujali pengo la bendi la muundo wa awali wa aloi (kwa x > ~0.2). Wakati huo huo, unyonyaji chini ya pengo la bendi huongezeka karibu 1.7 eV. Uchunguzi huu ni ishara za kipekee za uundaji wa hali mpya za mitego ya elektroniki ndani ya pengo la bendi la nyenzo. Hali hizi hufanya kazi kama vituo vya muunganisho usio na mnururisho, ambavyo kwa kawaida hupunguza mavuno ya quantum ya fotoluminesheni na, muhimu kwa seli za jua, hupunguza $V_{OC}$.

2.2 Ushahidi wa Kimuundo Kutoka kwa Uchambuzi wa Mionzi-X (XRD)

Vipimo vya Uchambuzi wa Mionzi-X (XRD) vilitoa ufahamu wa kimuundo. Wakati wa kumulika, vilele vya XRD vilivyo na sifa za awamu moja ya halidi iliyochanganywa kwa usawa vilionekana kugawanyika. Mgawanyiko huu wa kilele ni ushahidi wa moja kwa moja wa mgawanyiko wa awamu, ukionyesha nyenzo zinajitenga kuwa maeneo tofauti ya fuwele yenye viwango tofauti vya kimiani.

2.3 Uwezo wa Kubadilishwa kwa Hali Hii

Uvumbuzi muhimu na wa kushangaza ni uwezo kamili wa kubadilishwa kwa mchakato huu. Wakati sampuli iliyomulika inawekwa gizani kwa dakika kadhaa, kilele cha PL kilichohamishwa kuelekea nyekundu kinatoweka, unyonyaji chini ya pengo la bendi hupungua, na vilele vya XRD hurudi kwenye umbo lao la awali la mstari mmoja. Uwezo huu wa kuzunguka huutofautisha na njia za kuharibika kwa kudumu kutokana na mwanga.

Uchunguzi Muhimu wa Majaribio

Kichocheo: Mwangaza > ukubwa wa jua 1
Muda: Mabadiliko hutokea katika < dakika 1
Mabadiliko ya PL: Kilele kipya kwa ~1.68 eV
Mabadiliko ya Kimuundo: Mgawanyiko wa kilele cha XRD
Uwezo wa Kubadilishwa: Marekebisho kamili gizani (~dakika)

3. Utaratibu Unaopendekezwa: Mgawanyiko wa Halidi

Waandishi wanadai kuwa athari zilizozingatiwa zinasababishwa na mgawanyiko wa halidi unaosababishwa na picha. Chini ya usukumizi wa picha, jozi za elektroni-na-shimo huundwa, na kujenga nguvu ya kuendesha ya ndani kwa uhamiaji wa ioni. Ioni za iodidi (I⁻), zikiwa na uhamiaji zaidi na uwezo wa kupolarishwa kuliko ioni za bromidi (Br⁻), zinadhaniwa kuhamia na kukusanyika pamoja, na kuunda maeneo madogo yenye iodidi nyingi. Kinyume chake, matriki inayozunguka inakuwa na bromidi nyingi.

Hii huunda muundo tofauti: maeneo yenye iodidi nyingi yana pengo la bendi nyembamba (~1.68 eV) kuliko matriki inayozunguka yenye bromidi nyingi. Maeneo haya yenye pengo la bendi la chini hufanya kazi kama "vishimo" au mitego yenye ufanisi kwa vibeba malipo vilivyozalishwa na mwanga. Vinakuwa vituo kuu vya muunganisho, na kushikilia nishati ya utoaji wa PL na, kwa kuongezea, mgawanyiko wa kiwango cha Fermi ambao huamua $V_{OC}$ katika seli ya jua, kwa pengo la bendi la chini la awamu yenye iodidi nyingi.

4. Maana kwa Utendaji wa Photovoltaic

Utaratibu huu unaelezea moja kwa moja utendaji duni wa $V_{OC}$ wa seli za jua za perovskite zilizochanganywa halidi, hasa zile zenye maudhui ya juu ya bromidi yaliyokusudiwa kwa pengo pana la bendi. Licha ya filamu ya awali yenye usawa na pengo kubwa la bendi (k.m., 1.9 eV), chini ya hali ya kufanya kazi (mwanga wa jua), nyenzo huunda kwa hiari maeneo ya mitego yenye pengo la bendi la chini (1.68 eV). $V_{OC}$ ya kifaa inakuwa imepunguzwa na maeneo haya badala ya pengo la bendi la kusudiwa la wingi. Hii inawakilisha njia ya msingi ya upotezaji wa ufanisi na changamoto muhimu kwa uthabiti wa perovskites zilizochanganywa halidi katika vifaa vya optoelektroniki.

5. Maelezo ya Kiufundi & Uchambuzi

5.1 Maelezo ya Kihisabati ya Kurekebisha Pengo la Bendi

Pengo la bendi ($E_g$) la perovskite iliyochanganywa halidi MAPb(Br_xI_1-x)₃ halifuati sheria rahisi ya mstari ya Vegard lakini inaweza kuelezewa kwa majaribio. Kwa makadirio ya kwanza, kurekebisha pengo la bendi na muundo $x$ kunaweza kuigwa kama: $$E_g(x) \approx E_g(\text{MAPbI}_3) + [E_g(\text{MAPbBr}_3) - E_g(\text{MAPbI}_3)] \cdot x - b \cdot x(1-x)$$ Ambapo $b$ ni parameta ya kupinda inayozingatia tabia isiyo ya mstari. Uundaji wa maeneo yenye iodidi nyingi chini ya mwanga hupunguza kwa ufanisi $x$ ya ndani hadi karibu 0, na kurudisha $E_g$ hadi ~1.6 eV.

5.2 Usanidi wa Majaribio & Mfumo wa Uchambuzi wa Data

Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi (Sio Msimbo): Ili kutambua mgawanyiko unaosababishwa na picha katika mazingira ya maabara, itifaki ya kawaida inaweza kuanzishwa:

Utabiri wa Msingi: Pima wigo wa awali wa PL, wigo wa unyonyaji, na muundo wa XRD wa filamu safi gizani.
Mtihani wa Mkazo wa Kunyonya Mwanga: Mulika sampuli kwa kiwango cha jua kilichokalibriwa (Jua 1, wigo wa AM1.5G) huku ukifuatilia wigo wa PL kwa wakati halisi kwa kutumia spektromita iliyounganishwa na nyuzi.
Uchambuzi wa Kinetiki: Panga ukubwa wa kilele cha PL kinachoibuka ~1.68 eV dhidi ya muda wa mwangaza. Linganisha data na muundo wa kinetiki wa mpangilio wa kwanza: $I(t) = I_{max}(1 - e^{-t/\tau})$, ambapo $\tau$ ni muda wa kudumu wa sifa kwa mgawanyiko.
Kuangalia Uwezo wa Kubadilishwa: Acha kumulika na ufuatilie kupungua kwa kilele cha 1.68 eV gizani. Linganisha urejeshaji na muundo sawa wa kupungua kwa kielelezo.
Uhusiano wa Kimuundo: Fanya XRD kwenye hali iliyonyonywa mwanga (kuhamisha sampuli haraka) na tena baada ya urejeshaji kamili gizani ili kuthibitisha mgawanyiko wa kilele unaoweza kubadilishwa.

Mfumo huu wa utaratibu huruhusu kupima ukali na kinetiki ya athari ya mgawanyiko katika fomula tofauti za nyenzo.

6. Uchambuzi Muhimu & Mtazamo wa Mtaalamu

Ufahamu Msingi: Hoke et al. hawakupata tu njia mpya ya kuharibika; walitambua kutokuwa na utulivu wa kimsingi wa uendeshaji ulio ndani ya perovskites zilizochanganywa halidi chini ya upendeleo. Voltage ya seli yako haijaainishwa na filamu unayotengeneza, lakini na filamu ambayo inabadilika chini ya mwanga. Hii ni mabadiliko makubwa kwa ustadi unaojulikana wa kurekebisha halidi.

Mtiririko wa Mantiki: Mantiki ni nzuri na yenye kulaumiwa. 1) Seli zilizochanganywa halidi hazifanyi vizuri kwa $V_{OC}$. 2) Mwanga husababisha mabadiliko ya PL kuelekea nyekundu hadi nishati ya chini, isiyobadilika. 3) Mwanga pia husababisha mgawanyiko wa kilele cha XRD. 4) Hitimisho: Mwanga husababisha mgawanyiko wa awamu unaoweza kubadilishwa kuwa maeneo yenye iodidi nyingi (chini-$E_g$, muunganisho wa juu) na maeneo yenye bromidi nyingi. $V_{OC}$ imeshikiliwa na mitego yenye iodidi nyingi. Ni maelezo ya moja kwa moja, ya kimekanika kwa kikwazo kikubwa cha utendaji.

Nguvu & Kasoro: Nguvu ya karatasi hii ni uhusiano wake wa taaluma nyingi wa data ya optiki na kimuundo kupendekeza muundo wa kuvutia wa kimwili. Uvumbuzi wa uwezo wa kubadilishwa ni muhimu—sio uharibifu usioweza kubadilishwa, lakini usawa wa nguvu. Hata hivyo, kazi ya 2015 ni ripoti ya kijiolojia. Inadhania juu ya uhamiaji wa ioni lakini haithibitishi kwa mbinu za moja kwa moja kama ¹²⁷I NMR au TEM ya ndani, wala haigusi nguvu halisi ya kuendesha (k.m., mkazo, uundaji wa polaron). Kazi ya baadaye na Slotcavage, Snaith, na Stranks ingejenga juu ya hili, ikionyesha ni suala la ulimwengu wote katika mifumo iliyochanganywa halidi na hata iliyochanganywa kationi, ikizidishwa na ukubwa wa juu wa mwanga na halijoto ya chini—hatua isiyoeleweka kwa urahisi ambayo karatasi hii ya mapema haikugundua.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti na wasanidi wa kibiashara, karatasi hii inatoa kengele kubwa: kurekebisha tu halidi kwa pengo la bendi ni mitego (pun iliyokusudiwa). Majibu ya jamii, yanayoonekana katika fasihi inayofuata, yaligawanyika: 1) Epuka tatizo: Zingatia iodidi safi (FAPbI₃) kwa seli kuu, ukitumia uhandisi wa kationi (k.m., mchanganyiko wa Cs, FA, MA) kwa uthabiti, sio kuchanganya halidi kwa pengo la bendi. 2) Punguza tatizo: Chunguza mikakati ya kuzuia uhamiaji wa ioni kupitia kupitisha mpaka wa chembe, uhandisi wa mkazo, au kutumia kationi kubwa zaidi, zisizohamika sana za eneo la A. Kwa seli zilizounganishwa zinazohitaji seli ya juu yenye pengo pana la bendi (~1.8 eV), utafiti ulibadilishwa kuwa mbadala zenye bromidi kidogo au zisizo na bromini (k.m., aloi za stani-na-risasi). Karatasi hii ililazimisha mabadiliko ya kimkakati katika falsafa ya kubuni nyenzo.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

Ingawa ni changamoto kwa photovoltaics, kuelewa na kudhibiti mgawanyiko wa awamu unaosababishwa na picha kunafungua milango katika maeneo mengine:

Photonics Zinazoweza Kuprogramu: Mabadiliko ya kimuundo yanayoweza kubadilishwa, yaliyoandikwa na mwanga yanaweza kutumika kwa kumbukumbu ya optiki au vipengele vya kubadili ambapo muundo maalum wa mwanga unafafanua njia za uendeshaji zenye pengo la bendi la chini.
Diodi za Kutoa Mwanga (LEDs): Mgawanyiko uliodhibitiwa unaweza kutumika kuunda vituo vya utoaji wa nishati ya chini vilivyojumuishwa kwa utoaji wa wigo pana au mwanga mweupe kutoka kwa nyenzo moja.
Utafiti wa Msingi: Mfumo huu hutumika kama mfano wa kusoma usafirishaji wa ioni na mabadiliko ya awamu yanayosababishwa na picha katika semikondukta laini, za ioni.
Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye wa PV: Juhudi za sasa zinalenga:
1. Kukuza mikakati ya uthabiti wa kinetiki kwa kutumia viambatanishi vya uso au muundo tofauti wa 2D/3D ili kuzuia uhamiaji wa ioni katika nyakati za uendeshaji.
2. Kuchunguza perovskites mbadala zenye pengo pana la bendi zenye uhamiaji uliopunguzwa wa halidi, kama zile zenye kationi zilizochanganywa (Cs/FA) au perovskites zenye mwelekeo mdogo.
3. Kutumia sehemu za nje (umeme, mkazo) kupinga nguvu ya kuendesha ya picha kwa mgawanyiko.

8. Marejeo

Hoke, E. T. et al. Reversible photo-induced trap formation in mixed-halide hybrid perovskites for photovoltaics. Chem. Sci. 6, 613–617 (2015). DOI: 10.1039/c4sc03141e
Slotcavage, D. J., Karunadasa, H. I. & McGehee, M. D. Light-Induced Phase Segregation in Halide-Perovskite Absorbers. ACS Energy Lett. 1, 1199–1205 (2016).
Kituo cha Taifa cha Nishati ya Kurejeshwa (NREL). Chati ya Ufanisi Bora wa Seli ya Utafiti. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (Iliyofikiwa kila wakati, ikionyesha mabadiliko ya ufanisi baada ya 2015).
Stranks, S. D. & Snaith, H. J. Metal-halide perovskites for photovoltaic and light-emitting devices. Nat. Nanotechnol. 10, 391–402 (2015).
Bischak, C. G. et al. Origin of Reversible Photoinduced Phase Separation in Hybrid Perovskites. Nano Lett. 17, 1028–1033 (2017).