보기보다 순진하지 않음: 하이브리드 페로브스카이트의 수소: 연구원들은 태양 전지 성능을 제한하는 결함을 식별합니다

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메틸암모늄 분자에서 수소를 제거하여 생성된 수소 공석(가운데 왼쪽의 검은 점)은 프로토타입 하이브리드 페로브스카이트, 메틸암모늄 납 요오드화물 CH3NH3Pbl3 CREDIT에서 캐리어를 포획합니다.

요약 :
UC 산타 바바라 공과 대학 재료학과의 연구원들은 차세대 태양 전지에서 효율성에 한계가있는 주요 원인을 발견했습니다.

보기보다 순진하지 않음 : 하이브리드 페 로브 스카이 트의 수소 : 연구원들이 태양 전지 성능을 제한하는 결함을 식별

캘리포니아 주 산타 바바라 | 게시일 : 30 년 2021 월 XNUMX 일

하이브리드 페 로브 스카이 트 (hybrid perovskites)로 알려진 격자의 다양한 가능한 결함은 이전에 이러한 제한의 잠재적 원인으로 간주되었지만 유기 분자 ( "하이브리드"별명을 담당하는 구성 요소)는 그대로 유지 될 것으로 가정했습니다. 최첨단 계산을 통해 이러한 분자에서 수소 원자가 누락되면 엄청난 효율성 손실이 발생할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이번 연구 결과는 Nature Materials 지 29 월 XNUMX 일호에“고효율 하이브리드 페 로브 스카이 트를 가능하게하는 수소 공석 최소화”라는 제목의 논문에 게재되었습니다.

하이브리드 페 로브 스카이 트의 놀라운 광전지 성능은 태양 전지 기술을 발전시킬 잠재력을 고려할 때 엄청난 흥분을 불러 일으켰습니다. "하이브리드"는 페 로브 스카이 트 광물 (칼슘 티타늄 산화물)과 유사한 결정 구조를 갖는 무기 페 로브 스카이 트 격자에 유기 분자가 내장 된 것을 의미합니다. 이 재료는 실리콘에 필적하는 전력 변환 효율을 나타내지 만 생산 비용이 훨씬 저렴합니다. 그러나 페 로브 스카이 트 결정 격자의 결함은 열의 형태로 원하지 않는 에너지 소산을 생성하여 효율성을 제한하는 것으로 알려져 있습니다.

많은 연구팀이 이러한 결함을 연구하고 있으며, 그중 UCSB 재료 교수 인 Chris Van de Walle은 최근에 아무도 보지 못한 곳인 유기 분자에서 해로운 결함을 발견함으로써 돌파구를 찾았습니다.

“Methylammonium lead iodide는 전형적인 하이브리드 페 로브 스카이 트입니다.”라고 프로젝트의 수석 연구원 인 Xie Zhang은 설명합니다. “우리는 결합 중 하나를 끊고 메틸 암모늄 분자에서 수소 원자를 제거하는 것이 놀랍도록 쉬운 일임을 발견했습니다. 그 결과 발생하는 '수소 공실'은 태양 전지에 떨어지는 빛에 의해 생성 된 후 결정을 통해 이동하는 전하의 싱크 역할을합니다. 이러한 전하가 공석에 걸리면 더 이상 배터리를 충전하거나 모터에 전원을 공급하는 등 유용한 작업을 수행 할 수 없으므로 효율성이 떨어집니다.”

이 연구는 Van de Walle 그룹이 개발 한 고급 계산 기술에 의해 가능해졌습니다. 이러한 최첨단 계산은 물질 내 전자의 양자 역학적 거동에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 연구에 참여한 Van de Walle 그룹의 수석 대학원생 인 Mark Turiansky는이 정보를 전하 캐리어 트래핑 속도에 대한 정량적 값으로 변환하기위한 정교한 접근 방식을 구축하는 데 도움을주었습니다.

Turiansky는 "우리 그룹은 어떤 프로세스가 효율성 손실을 유발하는지 결정하기위한 강력한 방법을 개발했으며이 접근 방식이 중요한 재료 클래스에 대해 이러한 귀중한 통찰력을 제공하는 것을보고 기쁩니다."라고 말했습니다.

“계산은 실험적으로 얻을 수있는 것보다 훨씬 더 높은 해상도로 재료를 들여다 볼 수있는 이론적 현미경 역할을합니다.”라고 Van de Walle은 설명했습니다. “또한 합리적인 재료 설계의 기초를 형성합니다. 시행 착오를 통해 메틸 암모늄 분자가 포름 아 미디 늄으로 대체 된 페 로브 스카이 트가 더 나은 성능을 보이는 것으로 밝혀졌습니다. 우리는 이제 이러한 개선을 포름 아 미디 늄 화합물에서 수소 결함이 덜 쉽게 형성된다는 사실에 기인 할 수 있습니다.

“이 통찰력은 포름 아 미디 늄이 고효율 태양 전지를 실현하는 데 필수적이라는 경험적으로 확립 된 지혜에 대한 명확한 근거를 제공합니다.”라고 그는 덧붙였습니다. "이러한 근본적인 통찰력을 바탕으로 재료를 제조하는 과학자들은 유해한 결함을 억제하는 전략을 개발하여 태양 전지의 추가적인 효율성 향상을 촉진 할 수 있습니다."

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이 연구에 대한 자금은 에너지 부 과학실과 기초 에너지 과학실에서 제공했습니다. 계산은 National Energy Research Scientific Computing Center에서 수행되었습니다.

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연락처 :
제임스 배덤

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