Навчальний посібник з перовськитних сонячних елементів (ПСЕ) – частина D (результати та поглиблене розуміння).

1. Електричні параметри

Ви можете отримати доступ до редактора електричних параметрів, натиснувши кнопку «Електричні параметри» в головному інтерфейсі (див. ??). Цей редактор дозволяє налаштовувати рухливість носіїв заряду, константи рекомбінації, моделі пасток та інші процеси, пов’язані з активними шарами. Кожен активний шар пристрою відображається у власній вкладці всередині вікна. Приклади для шарів Spiro, MAPI та TiO₂ наведено в ??, ?? та ??. Будь-який шар, позначений як активний в редакторі шарів, відображатиметься тут.

Панель інструментів у верхній частині екрана дозволяє вмикати або вимикати певні фізичні механізми: натискання кнопки активує механізм.

• Дрейф–дифузія: Зазвичай увімкнено для будь-якого активного шару; вимикайте лише для ізолюючих шарів у багатошаровій структурі (наприклад, діелектриків затвора органічних польових транзисторів), де немає рухомих зарядів.
• Аугер-рекомбінація: Рідко використовується в перовськитних пристроях; має значення переважно за дуже високої концентрації носіїв заряду (світлодіоди/лазери, концентроване освітлення).
• Динамічні пастки Шоклі–Ріда–Холла (ШРХ) і рівноважні пастки ШРХ: використовуються для опису рекомбінації через проміжні стани; частіше застосовуються в органічних напівпровідниках, але також можуть використовуватися для перовськитів.
• Екситони: Моделі, що описують екситони/утворення пар, для органічних фотоелектричних пристроїв і моделі синглетних/триплетних станів для органічних світлодіодів; зазвичай не застосовуються для перовськитних сонячних елементів.

2. Бімолекулярна рекомбінація в перовськітах

У перовськитних сонячних елементах рекомбінація може відбуватися двома основними шляхами: за допомогою пасток (механізм Шоклі–Ріда–Холла) та шляхом прямої рекомбінації (бімолекулярна рекомбінація). Рекомбінація, опосередкована пастками, часто відіграє важливу роль, але в перовськитах ці пастки зазвичай неглибокі (≈20 меВ). Оскільки носії заряду можуть легко вивільнятися з цих пасток, їхній сукупний вплив часто можна наближено описати за допомогою простішої моделі прямої рекомбінації.

R(x) = k · n(x) · p(x)

Тут R(x) — швидкість рекомбінації, k — бімолекулярна константа швидкості, а n(x) і p(x) — локальні концентрації електронів і дірок. Збільшення k скорочує час життя носіїв заряду та зменшує стаціонарні концентрації, тоді як зменшення k дозволяє носіям заряду довше зберігатися в пристрої.

3. Рухливість, рекомбінація, час життя та добуток μτ у перовськітах.

У перовськитних сонячних елементах двома найважливішими параметрами, що впливають на їхню ефективність, є рухливість носіїв заряду (μ) і константа бімолекулярної рекомбінації (k). В OghmaNano ці параметри встановлюються в редакторі електричних параметрів: поля «Рухливість електронів» і «Рухливість дірок» визначають значення μ, а поле «Константа швидкості рекомбінації nfree → pfree» визначає значення k (див. Бімолекулярна рекомбінація).

Подвижність визначає, з якою швидкістю носії заряду переміщуються до контактів: чим вища величина μ, тим швидше переміщуються носії, що зменшує ймовірність їх рекомбінації. Константа рекомбінації k визначає час життя носіїв (τ). Великі значення k скорочують час τ, а менші – подовжують. Спрощена залежність має такий вигляд:

τ ≈ 1 / (k · n)

де n – концентрація носіїв заряду. Це підкреслює, чому швидкість рекомбінації має таке велике значення для перовськитів, які часто працюють за високої концентрації носіїв заряду завдяки їх чудовій здатності до поглинання. Незначні зміни в k можуть суттєво впливати на τ і, отже, на баланс між рекомбінацією та вилученням.

Разом, рухливість і час життя утворюють добуток μτ (μ·τ), який відображає середню відстань, яку може подолати носій заряду, перш ніж відбудеться рекомбінація. Більше значення μτ підвищує ймовірність того, що фотогенерувані носії досягнуть контактів, що призводить до збільшення струму та ефективності. У перовськітах високі значення μτ є однією з причин, чому ці матеріали можуть демонструвати високі показники, навіть якщо активний шар відносно товстий. Хоча μτ не є єдиним показником якості пристрою — важливу роль також відіграють такі фактори, як оптичне поглинання, узгодження енергетичних рівнів і селективність контактів, — він залишається цінним параметром для оцінки балансу між транспортуванням і рекомбінацією.