태양 전지 내부에서 햇빛은 전자를 여기시킨다. 그러나 이러한 전자는 종종 휴대 전화나 가정에 전력을 공급할 만큼 오래 지속되지 않는다. 유망한 새로운 유형의 태양 전지에서 태양에 의해 여기되는 전자는 더 잘 작동할 확률을 가지고 있다. 과학자들은 유망한 하이브리드 유무기 복합형 페로브스카이트 태양 전지의 높은 효율의 지배적인 원리를 밝혔다. 그들은 양전하를 띤 분자가 세포에서 자전하는 것을 발견했다. 움직이는 과정에서 이 분자는 전자와 홀 (누락된 전자) 을 소멸 과정에서 보호한다. 분자들이 얼마나 멀리 회전 할 수 있는지는 여기된 전자와 홀이 얼마나 오래 지속되는지를 결정한다 (PNAS, "Origin of long lifetime of band-edge charge carriers in organic-inorganic lead iodide perovskites").
태양 전지는 수확하는 햇빛으로부터 더 많은 전기를 생산할 수 있다. 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트로 만들어진 전지는 매우 효율적이고 저렴하여 전망이 밝다. 문제는 페로브스카이 트가 어떻게 작동 하는지를 아는 것이었다. 이 새로운 미세 메커니즘을 발견하면 높은 태양 전지 효율을 위한 새로운 재료를 설계하는 합리적인 방법이 제공될 것이다.
햇빛에 노출되면 반도체 재료의 전자는 정상 상태에서 높은 에너지 상태로 여기되어 전자와 홀 쌍을 형성한다. (홀은 여기된 전자에 의해 남겨진 빈 상태이다.)
일반적으로, 이러한 전하 캐리어 (여기된 전자와 홀)는 서로 재결합하고 서로 소멸된다. 그러나 외부 회로에서 수집할 수 있을 정도로 오래 살아남으면 전력을 생산할 수 있다. 이것은 태양 에너지로부터 전기를 생산하는 기초이다. 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트는 고효율 및 저비용을 결합하기 때문에 차세대 태양 전지의 가장 유망한 재료 중 하나이다.
하이브리드 유기-무기 페로브스카이트의 전하 캐리어의 수명은 모든 태양 전지 물질 중에서 가장 높으며 따라서 높은 효율을 위한 주요 원인으로 여겨진다. 그러나, 이러한 페로브스카이트에서의 높은 전하 캐리어 수명에 대한 미세한 메커니즘은 논쟁 중에 있다.
버지니아 대학교 (University of Virginia) 연구팀은 보다 우수한 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트 태양 전지 성능을 담당하는 보다 높은 캐리어 수명을 위한 지배적인 메커니즘을 발견했다.
메커니즘은 결정 내에서 양전하를 띠는 (양이온성) 유기 분자에 의해 여기된 전하 캐리어를 스크리닝하는 것을 포함한다. 양이온에 대해 이용 가능한 회전 자유도는 광 여기 전하 캐리어의 수명의 크기를 결정한다.
중성자와 X 선 회절, 고성능 컴퓨팅 및 광전자 측정을 결합하여 시스템이 회전 양이온의 구성수가 적은 단계 (회전 엔트로피라고 함)에서 더 높은 값을 가진 상태로 유입될 때마다 여기된 캐리어 수명이 극적으로 증가하는 것으로 나타났다.
수명은 양이온에 대한 구속된 방위를 갖는 정사각형으로부터 무작위 방위를 갖는 정육면체 상으로의 전이에 따라 증가한다. 향상된 회전 엔트로피는 전하 캐리어를 차단하므로 수명이 연장된다.
이 발견은 넓은 온도 범위에서 높은 회전 엔트로피를 갖는 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트를 찾는 것이 태양 전지 성능을 더욱 향상시키는 열쇠가 될 수 있다고 지적했다.
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