به گزارش روابط عمومی دانشگاه صنعتی شریف " دکتر نیما تقوی نیا استاد دانشکده ی فیزیک، دکتر راحله محمدپور دانشیار پژوهشکده علوم و فناوری نانو و فیروزه عبادی دانشجوی دکترای پژوهشکده علوم و فناوری نانو از دانشگاه صنعتی شریف با همکاری محققین دانشگاه EPFL سوییس موفق به چاپ مقاله ای با عنوان "Origin of apparent light-enhanced and negative capacitance in perovskite solar cells "، " منشا، ایجاد خازن منفی و وابسته به نور در سلول های خورشیدی پروسکایتی"در مجله ی معتبر نیچر شدند. "

دکتر نیما تقوی نیا استاد دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف

در ذیل گزارش مشروح این دست آورد را بیابید.

به نظر می‌رسد خازن منفی به عنوان یک ویژگی در تحلیل امپدانس وابسته به بسامد در سلول‌های خورشیدی پروسکایت مبهم باقی مانده است. خازن منفی به یکی از ویژگی‌های معماگونه‌ی ناشی از رسانندگی مخلوط یونی-الکترونی در این نوع نیم‌رساناها تعلق دارد. در این پژوهش نشادن دهده شده است که ظرفیت بالای ظاهری در حالت عمومی (منفی و مثبت) به هیچ‌یک از ویژگی‌های خازنی به معنای تجمیع بار مربوط نیست. درحالی که این نتیجه‌ای از گذارهای آرام در جریان مستقیم دیودی است که ناشی از جابجایی‌های یونی در زمان تغییر ولتاژ است. جریان‌های گذار به یک «خازن» مثبت یا منفی می‌انجامد که به علامت گرادیان وابسته است. خازن ظاهری بسیار بزرگ است چون مقاومت مربوط به آن (اگر در قالب یک عنصر مقاومت-خازنی فرض شود) از فرآیند فیزیکی دیگری نشات می‌گیرد. این پدیده که در قطعات گوناگونی قابل مشاهده است که به اثر پسماند (هیسترزیس) در منحنی جریان – ولتاژ مربوط می شود.

دکتر راحله محمدپور دانشیار پژوهشکده علوم و فناوری دانشگاه صنعتی شریف

طیف‌سنجی امپدانس (EIS) یک فناوری قدرتمند برای مشخصه‌یابی قطعات نیم‌رساناست. این تکنیک اطلاعاتی را در مورد پاسخگویی (اپتو) الکتریکی (نور، جریان ولتاژ) در بازه‌های زمانی مختلف و با حساسیت بالا فراهم می‌کند. نتایج این اندازه‌گیری معمولاً با هدف دست‌یابی به یک مدار معادل که شامل چندین عنصر منفعل است، مورد تحلیل قرار می‌گیرند. نسبت دادن فرآیندهای کوچک‌مقایس به این عناصر معمولاً چالش‌برانگیزترین بخش کار است. با این حال این رویکرد، رهیافتی قدرتمند است که به عنوان مثال در توصیف فیزیک سلول‌های خورشیدی رنگ‌دانه‌ای که در آن‌ها مدارهای معادل به اثبات رسیده‌اند به کار می‌رود. فرآیندهای کوچک‌مقیاس بسته به ولتاژ با نوفه‌ی بالا تغییر می‌کنند و به شکل خودسرانه‌ای پیچیده هستند به ویژه وقتی توزیع حالات در انرژی (مثل تله‌ها) یا در فضا (پتانسیل‌های الکتروشیمیایی متغیر) مورد بررسی قرار می‌گیرند؛ کاری که به عنوان مثال با معرفی مدل‌های خطوط انتقال انجام می‌شود.

هرچند عناصر مقاومتی و خازنی را می‌توان مستقیماً به انتقال، تجمیع و بازترکیب بارها در قطعات نیم‌رسانای معمول مرتبط ساخت اما ویژگی‌های القایی در امپدانس بسیار گیج‌کننده‌تر است، چون بررسی ویژگی‌های القایی نیازمند استقرار یک میدان مغناطیسی قابل ملاحظه است که در مواد و هندسه‌های بکار برده شده حضور ندارد. امپدانسِ یک القاگر به شکل ریاضی معادل با یک «خازن منفی» یا معکوس است و واژه‌ی معکوس برای توصیف پاسخ القایی ظاهری معرفی شده است. بر اساس تعریف ظرفیت (C)، C=dQ/dV یک خازن منفی با کاهش در بار ذخیره شده (Q) متناظر خواهد بود زمانی‌که ولتاژ (V) افزایش پیدا می‌کند. چنان وضعیتی می‌تواند (به شکل نظری) زمانی اتفاق افتد که یک پتانسیل افزایش‌یافته به کاهش جمعیت حالات بین‌سطحی و یا تحت شرایط ویژه‌ای به بازترکیب (به کمک‌ تله) در نیم‌رساناهای آلی منجر شود. واقعیت آن است که خازن منفی معمولاً در دیودهایی تحت سویدگی (بایاس) مستقیم دیده می‌شود که به تغییرات رسانندگی (به عنوان توضیحی محتمل) منجر می‌شود. چنان تغییراتی می‌تواند از خودگرم‌کنی نشات گرفته باشد، همان‌طور که برای قطعات آلی تک‌حامل [8] و سلول‌های خورشیدی گزارش شده است.

پیش‌تر، خازن منفی در قطعات پروسکایت و به ازای بسامدهای پایین در مطالعات اولیه گزارش شده است. اگرچه این مطالعات توضیحات ارزشمندی را پیشنهاد داده‌اند اما جزئیات را توضیح نداده‌اند و بنظر می‌رسد معماگونه بودن این اثرات همچنان باقی مانده است. این دشوای در مطالعه‌ی اخیری که صورت گرفته است نمود دارد که در آن خازن منفی اثری آسیب‌رسان بر کارکرد قطعه شده است . این نتیجه‌گیری از هم‌بستگی ولتاژ مدارباز و ضریب پرشدگیِ کم با ظرفیت منفی بر اساس مقایسه‌ای که مابین دو قطعه انجام شده، استنتاج شده است.

ویژگی مرتبط با خازن منفی، حلقه‌ای القایی در نمودار نیوکوئیست است که با خازن منفی به ازای بسامدهای میانی متناظر است. چنان حلقه‌هایی در قطعات گوناگونی دیده شده که شامل SnO₂ به عنوان لایه‌ی انتقال‌دهنده‌ی الکترونی (ETL) [13] است. هرچند این مطالعه توضیح ویژه‌ای فراهم نکرده اما مطالعه‌ی دیگری که در آن ادعا شده است که خازن منفی تنها در قطعات بدون لایه‌ی ETL رخ می‌دهد (و نه شامل SnO₂ )، تلاش کرده است تا توضیحی را با استفاده از نمودارهای نواری ارائه دهد . در حالت کلی مطالعاتی که در مورد خازن منفی در پروسکایت‌ها صورت گرفته تاکنون نظری بوده‌اند و رهیافتی سیستماتیک برای منشاء این اثر وجود نداشته است. مطالعات نظری اخیر تنها به بسط این اثر پرداخته و بازترکیب خارج از فازی را به عنوان یک دلیل پیشنهاد داده‌اند . بنابراین برخلاف درک و فهم اثبات‌شده‌ای که برای دیگر سیستم‌های مواد وجود دارد، نیاز به یک مطالعه‌ی جزئی که خازن منفی در سلو‌ل‌های خورشیدی پروسکایت را تصریح کند قویاً احساس شده است.

در این پژوهش نشان داده شده است که خازن منفی در دیودهای پروسکایت، طبیعت یکسانی با پاسخ مثبت آرامی دارد که در ابتدا به «ثابت دی‌الکتریک بزرگ» و بعدها به تجمیع بارهای الکترونی و یونی در بین‌سطحی‌ها نسبت داده شده است . با این وجود درمی‌یابیم که هردویِ خازن‌های کم‌بسامد مثبت و منفی تجمیع بار را توصیف نمی‌کنند اما نتیجه‌ای از بارهای گذرای تزریقی هستند که طی فرآیندی آرام تغییر پیدا می‌کنند. خازن‌های ظاهری مستقیماً به پسماند وابسته به پویش مربوط هستند هردو در این نقطه مشترکند که نتیجه‌ی این اثر را بجای خودِ اثر توصیف می‌کنند. این تفسیر به امپدانس الکترونی-یونی معرفی شده توسط پاکت و همکارانش ارتباط دارد که در آن مطالعه، به آهنگ‌ بازترکیب تغییریافته القاشده‌ی نوری نسبت داده شده‌اند.
در انتها شایان ذکر است " از این مقاله با عنوان خبری "Mystery of negative capacitance in perovskite solar cells solved"، "معمای علت وجود خازن منفی در سلول های خورشیدی پروسکایتی حل شد" در سایت های خبری مختلف مانند ScienceDaily، worldpronews و نیز سایت خبری دانشگاه EPFL بعنوان همکاری دانشگاه شریف با دانشگاه EPFL ذکر شده است."

منبع خبر: وبگاه مجله نیچر

وبگاه دانشگاه صنعتی شریف