นักวิจัยได้เห็นภาพเป็นครั้งแรกว่าทำไม perovskites ซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถแทนที่ซิลิกอนในเซลล์แสงอาทิตย์ยุคหน้าดูเหมือนจะทนต่อข้อบกพร่องในโครงสร้างได้ ผล การ วิจัยนำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Nanotechnology
ตอนนี้เราเข้าใจภูมิทัศน์ระดับนาโนในเซมิคอนดักเตอร์ที่น่าสนใจเหล่านี้ได้ดีขึ้นมาก – ดี ไม่ดี และน่าเกลียด
แซม สแตรงค์ส
วัสดุที่ใช้กันมากที่สุดในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์คือซิลิกอนผลึก แต่การบรรลุการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพต้องใช้กระบวนการผลิตที่ใช้พลังงานมากและใช้เวลานานเพื่อสร้างโครงสร้างเวเฟอร์ที่ได้รับคำสั่งสูง
ในทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุ perovskite ได้กลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับซิลิกอน
เกลือตะกั่วที่ใช้ทำ perovskites นั้นมีมากมายและราคาถูกกว่าในการผลิตมากกว่าผลึกซิลิกอน และสามารถเตรียมได้ในหมึกเหลวที่พิมพ์ง่ายๆ เพื่อผลิตฟิล์มของวัสดุ นอกจากนี้ยังแสดงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานอื่นๆ เช่น ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่ประหยัดพลังงาน และเครื่องตรวจจับเอ็กซ์เรย์
ประสิทธิภาพของ perovskites นั้นน่าประหลาดใจ โมเดลทั่วไปสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ที่ยอดเยี่ยมคือโครงสร้างที่ได้รับคำสั่งอย่างสูง แต่อาร์เรย์ขององค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันใน perovskites จะสร้างภูมิทัศน์ที่ ‘ยุ่งเหยิง’ ขึ้นมาก
ความยุ่งเหยิงนี้ทำให้เกิดข้อบกพร่องในวัสดุที่นำไปสู่ ’กับดัก’ เล็กๆ ซึ่งโดยทั่วไปจะลดประสิทธิภาพลง แต่ถึงแม้จะมีข้อบกพร่องเหล่านี้ แต่วัสดุ perovskite ยังคงแสดงระดับประสิทธิภาพที่เทียบได้กับทางเลือกซิลิกอน
อันที่จริง การวิจัยก่อนหน้านี้ โดยทีมเดียวกันที่อยู่เบื้องหลังงานปัจจุบัน แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างที่ไม่เป็นระเบียบสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของ perovskite optoelectronics ได้จริงและงานล่าสุดของพวกเขาพยายามที่จะอธิบายว่าทำไม
เมื่อรวมเทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใหม่เข้าด้วยกัน กลุ่มได้นำเสนอภาพที่สมบูรณ์ของภูมิทัศน์เคมีระดับนาโน โครงสร้าง และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเหล่านี้ ซึ่งเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างปัจจัยที่แข่งขันกันเหล่านี้ และสุดท้ายแสดงให้เห็นซึ่งปรากฏอยู่ด้านบน
“สิ่งที่เราเห็นคือเรามีความผิดปกติสองรูปแบบที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน” Kyle Frohna ผู้เขียนคนแรกจาก Department of Chemical Engineering and Biotechnology (CEB) ของเคมบริดจ์กล่าว “ความผิดปกติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องที่ลดประสิทธิภาพการทำงาน และความผิดปกติของสารเคมีเชิงพื้นที่ที่ดูเหมือนว่าจะปรับปรุง
“และสิ่งที่เราพบก็คือความผิดปกติทางเคมี – ความผิดปกติที่ ‘ดี’ ในกรณีนี้ – บรรเทาความผิดปกติที่ ‘แย่’ จากข้อบกพร่องโดยการเคลื่อนตัวพาประจุไฟฟ้าให้ห่างจากกับดักเหล่านี้ซึ่งพวกมันอาจเข้าไปได้”
ในความร่วมมือกับนักวิจัยจาก Cavendish Laboratory, Diamond Light Source synchrotron facility ใน Didcot และ Okinawa Institute of Science and Technology ในญี่ปุ่น นักวิจัยได้ใช้เทคนิคด้วยกล้องจุลทรรศน์หลายแบบเพื่อดูบริเวณเดียวกันในภาพยนตร์ perovskite จากนั้นพวกเขาสามารถเปรียบเทียบผลลัพธ์จากวิธีการทั้งหมดเหล่านี้เพื่อนำเสนอภาพรวมของสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับนาโนในวัสดุเหล่านี้
การค้นพบนี้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับปรุงวิธีการทำเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด
Miguel Anaya ผู้เขียนร่วมจาก CEB กล่าวว่า “เราได้เห็นภาพและให้เหตุผลว่าทำไมเราสามารถเรียกวัสดุเหล่านี้ว่าทนทานต่อข้อบกพร่อง “วิธีการนี้ช่วยให้เส้นทางใหม่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ในระดับนาโนเพื่อให้ทำงานได้ดีขึ้นสำหรับแอพพลิเคชันที่เป็นเป้าหมาย ตอนนี้ เราสามารถดู perovskites ประเภทอื่นๆ ที่ไม่เพียงแต่ดีสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แต่ยังสำหรับ LED หรือเครื่องตรวจจับ และเข้าใจหลักการทำงานของพวกมันด้วย”
“ด้วยการสร้างภาพข้อมูลเหล่านี้ ตอนนี้เราเข้าใจภูมิทัศน์ระดับนาโนในเซมิคอนดักเตอร์ที่น่าสนใจเหล่านี้ได้ดีขึ้นมาก ทั้งด้านดี ด้านร้าย และด้านอัปลักษณ์” ดร.แซม สแตรงค์ส จาก CEB ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าว “ผลลัพธ์เหล่านี้อธิบายว่าการเพิ่มประสิทธิภาพเชิงประจักษ์ของวัสดุเหล่านี้โดยภาคสนามได้ขับเคลื่อน perovskites แบบผสมเหล่านี้ให้มีประสิทธิภาพสูงได้อย่างไร แต่ยังได้เปิดเผยพิมพ์เขียวสำหรับการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์ใหม่ที่อาจมีลักษณะที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งสามารถใช้ประโยชน์จากความผิดปกติเพื่อปรับแต่งประสิทธิภาพได้”
ข้อมูลอ้างอิง:
Kyle Frohna et.al ‘ ความแตกต่างทางเคมีระดับนาโนครอบงำการตอบสนอง optoelectronic ของเซลล์สุริยะ perovskite ที่ผสมแล้ว’ นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ (2021) DOI: 10.1038/s41565-021-01019-7
