Ученые раскрыли секрет долгой жизни зарядов в перовскитах для солнечных батарей
Ученые из Института науки и технологий Австрии (ISTA) в сотрудничестве с коллегами из Университета науки и технологии имени короля Абдаллы предложили элегантное объяснение парадоксальным фотоэлектрическим свойствам галогенидных перовскитов, которые считаются одним из самых перспективных материалов для солнечной энергетики будущего. Долгое время исследователей ставила в тупик уникальная особенность этих соединений: несмотря на высокую дефектность и очень короткое время жизни экситонов, они демонстрируют рекордно длинные времена жизни и длины диффузии фотогенерированных зарядов, необходимые для высокой эффективности солнечных элементов. Команда под руководством Жанибека Алпичшева обнаружила, что разгадка кроется не в химическом составе, а в мезоскопической структуре материала.
В центре внимания исследователей оказался кристалл бромида свинца-метиламмония (MAPbBr₃), который при комнатной температуре относится к номинально кубической фазе и, следовательно, должен обладать идеальной симметрией. Однако, используя визуализацию двулучепреломления, ученые выявили в нем неожиданную оптическую анизотропию, указывающую на наличие внутренних деформаций. Для изучения структуры этих деформаций была применена оригинальная техника электрохимического окрашивания, которая позволила в буквальном смысле увидеть сложную сеть доменов — микроскопических областей с разной ориентацией деформации кристаллической решетки. Размер этих доменов составляет всего несколько микрон, а их границы являются ключевыми элементами новой модели.
Именно на этих границах, или стенках, между доменами возникает так называемый флексоэлектрический эффект: градиенты механической деформации нарушают локальную симметрию и генерируют сильные электрические поля. В отличие от объемного материала, где симметрия сохраняется, на стенках доменов она нарушается. Это локальное поле эффективно разделяет электроны и дырки, возникшие под действием света, разнося их по разные стороны стенки. Такое пространственное разделение экспоненциально подавляет их рекомбинацию, заставляя заряды существовать гораздо дольше обычного. Чтобы воссоединиться, им приходится преодолевать потенциальный барьер с помощью туннелирования, скорость которого, как показали эксперименты, описывается нетривиальной зависимостью, объясняющей долгоживущие фототоки. Сами же стенки доменов выступают в роли эффективных "магистралей" для транспорта этих долгоживущих зарядов на большие расстояния.
Это разрешает давнее противоречие между быстрой экситонной динамикой и медленной релаксацией фототока в перовскитах, а также объясняет, почему эти материалы сохраняют высокую эффективность даже при фазовых переходах. Понимание роли флексоэлектрических доменных стенок не только проясняет фундаментальную физику процессов в перовскитах, но и открывает путь к новой стратегии оптимизации солнечных элементов — через контроль мезоскопической структуры, а не только химического состава материала.