Nguyên lí hoạt động của pin mặt trời perovskite . Các q trình chính xảy ra bao gồm: sự hấp thụ kích thích quang sinh ra điện tử - lỗ trống trong perovskite (1), sự chuyển dời electron sang lớp ETL và chuyển dời lỗ trống sang lớp HTL (2), sự thu thập các hạt tải về các điện cực (3) (Hình 1.6) [23]
Sự hấp thụ, kích thích quang
Do vật liệu Perovskite lai hữu cơ – vơ cơ có hệ số hấp thụ quang rất lớn cỡ 104 –105 cm−1, cao hơn 10 lần so với chất dye N719, vậy có thể giảm độ dày màng để tạo điều kiện cho sự tách cặp hạt tải [19]. Thông thường chỉ với 500 nm chiều dày của màng Perovskite là có thể hấp thụ hầu như tồn bộ quang phổ [24]. Sau khi vật liệu hấp thụ năng lượng của photon ánh sáng tới, nó cần phải phân ly ra hạt tải. Một trong những câu hỏi trọng tâm của các chất bán dẫn dựa trên perovskite: các loại gây kích thích quang là các hạt tải tự do hay các excitonic [8] [25]. Trong trường hợp vật liệu excitonic, bao gồm các exciton liên kết chặt, làm tăng tỷ lệ tái kết hợp nhanh và hiệu suất lượng tử phát xạ cao. Do đó, chúng có khả năng phù hợp hơn cho điốt phát sáng hoặc laser. Vật liệu dựa trên sự tạo thành các hạt tải tự do
hứa hẹn nhiều hơn cho pin quang điện, vì điện tử và lỗ trống phải được tách rời riêng về hai điện cực. Năng lượng liên kết exciton cho perovskite sử dụng cation CH3NH3 + tương đối nhỏ được báo cáo trong khoảng 19-50 meV, nhỏ hơn nhiều so với các chất bán dẫn hữu cơ thông thường bằng vài trăm meV. Do đó, khi các perovskite bị kích thích bởi năng lượng photon đủ lớn, chúng được cho là sẽ sinh ra các hạt tải tự do như đã thấy trong các màng mỏng bán dẫn vô cơ [26]. Carlito S. Ponseca và cộng sự đã nghiên cứu cho thấy ở MAPbI3, sự phân ly của các hạt tải tự do xảy ra trong vịng 2 pico giây (ps) và có độ linh động cao (25 cm2/Vs), tốc độ tái hợp chậm cỡ micro giây [4]. Điều này góp phần giải thích lý do việc sử dụng các vật liệu perovskite là lý tưởng cho pin quang điện Perovskite đạt được hiệu suất cao. Hiện nay, việc xác định chính xác năng lượng liên kết exciton là vẫn còn là một thách thức. Giá trị này được tính dựa trên các phép đo PL phụ thuộc nhiệt độ, giả sử rằng cường độ PL tích hợp giảm khi nhiệt độ tăng do sự phân ly của exciton phụ thuộc nhiệt độ. Những giả thiết này có thể khơng chính xác nếu thiếu các nghiên cứu động học của PL, vì các kênh tái kết hợp khơng bức xạ hoạt động mạnh hơn ở nhiệt độ cao hơn và cuối cùng sẽ làm giảm cường độ PL. Các tính tốn được cho là hợp lý nhất được trình bày bởi các phép đo phổ hấp thụ phụ thuộc nhiệt độ trong đó năng lượng liên kết exciton theo ước tính ~ 50 meV [25]. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các loại kích thích quang và năng lượng liên kết exciton có thể thay đổi theo kích thước và hình thái học của tinh thể perovskite. Các nghiên cứu tiếp theo về chủ đề này sẽ tạo ra những tác động sâu sắc trong việc định hướng các công nghệ quang điện perovskite trong tương lai.
Sự chuyển dời hạt tải