Хотя солнечные элементы, сделанные из светособирающего перовскита (органо-неорганический гибрид), недавно превзошли 20-процентную отметку эффективности, исследователи считают, что они могли бы добиться большего, если бы у них была более четкая картина потока энергии в нанометровом масштабе. Открытие ORNL, описанное в статье, опубликованной в ACS Photonics, синхронизирует микроскопию, ультракороткие импульсы лазерного света и анализ данных для извлечения изображений с точностью до одного пикселя, обеспечивая беспрецедентную детализацию.
«Если мы сможем точно и в реальном времени увидеть, что происходит, мы сможем составить карту электронных процессов в космосе вместо того, чтобы полагаться на снимки, полученные из пространственных средних значений», — сказал Бенджамин Даути, один из авторов и член отдела химических наук ORNL.
Вооруженные информацией о том, что электроны делают внутри материала, исследователи полагают, что они могут внести улучшения, которые приведут к более эффективным и потенциально менее дорогостоящим солнечным элементам.
«Используя традиционные подходы к изучению фотоэлектрических материалов, мы не можем точно отобразить электронные процессы и то, как теряются электроны», — сказал Даути. "Эти процессы могут привести к снижению эффективности."
Эксперимент заключается в оптической накачке образца тонкой пленки с помощью лазерного импульса 50 фемтосекунд — или 50 миллионных долей миллиардной секунды, а затем измерения изменений поглощения света с помощью второго лазерного импульса в материале. Техника, называемая фемтосекундной переходной абсорбционной микроскопией, состоит из стола, состоящего из лазеров, оптики и микроскопа. Конечный результат — это попиксельная карта изучаемого материала, которую исследователи могут использовать для повышения производительности.
«Возможность идентифицировать то, что будет создано после того, как солнечный элемент поглотит фотон, будь то пара свободных зарядов или их связанная форма, называемая экситонами, имеет решающее значение как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения», — сказал соавтор Инчжун Ма, руководивший исследовательская группа. «Мы обнаружили, что присутствуют как свободные заряды, так и экситоны, и сила нашего подхода заключается не только в том, чтобы определить, где они находятся, но и в определении их относительного вклада, когда они оба присутствуют в заданном пространственном местоположении."
По словам Ма, ключевой остающейся проблемой является понимание того, что вызывает наблюдаемую пространственную разницу, поэтому он и его коллеги изучают полностью оптический подход к визуализации, который позволил бы им коррелировать электронную динамику с базовой структурной информацией. Этот подход также может помочь исследователям составить карту и понять проблемы деградации перовскита, связанные с влажностью.
Ма отметил, что эту проблему необходимо решить, прежде чем солнечные элементы на основе этого класса материалов смогут стать успешными.