Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд)
Perovskite materials such as formamidinium lead bromide (FAPbBr_(3 )) and ethylenediammonium-doped FAPbBr_(3 ) ({en}FAPbBr_(3 )) are widely utilized in nano-optoelectronic devices due to their relatively simple fabrication process, low cost, and high efficiency. Significant improvements have been ac...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/804 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Institution
Chemistry, Physics and Technology of Surface| id |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-804 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-09-14T10:18:52Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
Перовскітні нанокристали (НК) квантові точки (КТ) нанооптоелектронні пристрої перовскітні сонячні елементи квантово-вимірні стани електронів |
| spellingShingle |
Перовскітні нанокристали (НК) квантові точки (КТ) нанооптоелектронні пристрої перовскітні сонячні елементи квантово-вимірні стани електронів Pokutnii, S.I. Gromovoy, T.Yu. Ovdenko, V.M. Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| topic_facet |
Perovskite nanocrystals (NCs) quantum dots (QDs) nano-optoelectronic devices perovskite solar cells (PSCs) electron quantum-confined states Перовскітні нанокристали (НК) квантові точки (КТ) нанооптоелектронні пристрої перовскітні сонячні елементи квантово-вимірні стани електронів |
| format |
Article |
| author |
Pokutnii, S.I. Gromovoy, T.Yu. Ovdenko, V.M. |
| author_facet |
Pokutnii, S.I. Gromovoy, T.Yu. Ovdenko, V.M. |
| author_sort |
Pokutnii, S.I. |
| title |
Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_short |
Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_full |
Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_fullStr |
Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_full_unstemmed |
Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_sort |
електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) |
| title_alt |
Electron states of perovskites nanocrystals and the future of solar cells (mini-review) |
| description |
Perovskite materials such as formamidinium lead bromide (FAPbBr_(3 )) and ethylenediammonium-doped FAPbBr_(3 ) ({en}FAPbBr_(3 )) are widely utilized in nano-optoelectronic devices due to their relatively simple fabrication process, low cost, and high efficiency. Significant improvements have been achieved in theoretical and experimental studies of light emission and absorption, detection performance, and device design, especially for operation in the visible and near-infrared (NIR) regions. The possibilities of semiconductor perovskite solar cells (PSCs) as a reliable candidate for next-generation solar energy harvesting are considered.It was shown theoretically that in a nanosystem interacting with low-intensity radiation, the oscillator strengths of transitions, as well as the dipole moments of transitions for single-particle electron quantum-confined states emerging in perovskites containing FAPbBr_(3 ) and {en}FAPbBr_(3 ) nanocrystals (NCs), took on values significantly (by two orders of magnitude) exceeding the typical values of the corresponding quantities for semiconductors. It has been found that at the resonant frequency of the electron transition, the values of the maximum optical absorption of NCs, as well as the NC polarizability, assume giant values (seven orders of magnitude) higher than the values of these quantities at other frequencies. This makes it possible to use such nanosystems as strongly absorbing nanomaterials in a wide range of infrared (IR) waves with a wavelength that can be varied across a wide range depending on the type of contacting materials.Currently, new perovskite technologies are aiming to achieve the efficiency of crystalline silicon (Si). Compared to Si, PSCs have many advantages. Unlike Si, perovskites exhibit a direct bandgap, allowing for much more efficient absorption of light. As a result, only a thin film is required, reducing the cost of the manufacturing process (inexpensive solution processes). Unfortunately, a significant drawback is their sensitivity to moisture, air, and even light. Numerous research groups have experimented with various stabilization methods, but so far no PSC has demonstrated a durability close to that required for commercial solar cells (25 years). Instead of replacing Si, perovskite/Si tandem cells are expected to be the best solution. Because each material absorbs energy from different wavelengths of sunlight, perovskite/Si tandem cells have the potential to provide at least 20 % more energy efficiency than an Si cell. Tandem perovskite/Si photovoltaic cells have now achieved efficiencies of over 33 % in lab conditions, and their efficiency is much higher than that of Si and stand-alone cells. |
| publisher |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/804 |
| work_keys_str_mv |
AT pokutniisi electronstatesofperovskitesnanocrystalsandthefutureofsolarcellsminireview AT gromovoytyu electronstatesofperovskitesnanocrystalsandthefutureofsolarcellsminireview AT ovdenkovm electronstatesofperovskitesnanocrystalsandthefutureofsolarcellsminireview AT pokutniisi elektronnístaninanokristalívperovskítívtamajbutnêsonâčnihelementívmíníoglâd AT gromovoytyu elektronnístaninanokristalívperovskítívtamajbutnêsonâčnihelementívmíníoglâd AT ovdenkovm elektronnístaninanokristalívperovskítívtamajbutnêsonâčnihelementívmíníoglâd |
| first_indexed |
2025-07-22T19:35:53Z |
| last_indexed |
2025-09-24T17:46:02Z |
| _version_ |
1850436405297152000 |
| spelling |
oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8042025-09-14T10:18:52Z Electron states of perovskites nanocrystals and the future of solar cells (mini-review) Електронні стани нанокристалів перовскітів та майбутнє сонячних елементів (міні-огляд) Pokutnii, S.I. Gromovoy, T.Yu. Ovdenko, V.M. Perovskite nanocrystals (NCs) quantum dots (QDs) nano-optoelectronic devices perovskite solar cells (PSCs) electron quantum-confined states Перовскітні нанокристали (НК) квантові точки (КТ) нанооптоелектронні пристрої перовскітні сонячні елементи квантово-вимірні стани електронів Perovskite materials such as formamidinium lead bromide (FAPbBr_(3 )) and ethylenediammonium-doped FAPbBr_(3 ) ({en}FAPbBr_(3 )) are widely utilized in nano-optoelectronic devices due to their relatively simple fabrication process, low cost, and high efficiency. Significant improvements have been achieved in theoretical and experimental studies of light emission and absorption, detection performance, and device design, especially for operation in the visible and near-infrared (NIR) regions. The possibilities of semiconductor perovskite solar cells (PSCs) as a reliable candidate for next-generation solar energy harvesting are considered.It was shown theoretically that in a nanosystem interacting with low-intensity radiation, the oscillator strengths of transitions, as well as the dipole moments of transitions for single-particle electron quantum-confined states emerging in perovskites containing FAPbBr_(3 ) and {en}FAPbBr_(3 ) nanocrystals (NCs), took on values significantly (by two orders of magnitude) exceeding the typical values of the corresponding quantities for semiconductors. It has been found that at the resonant frequency of the electron transition, the values of the maximum optical absorption of NCs, as well as the NC polarizability, assume giant values (seven orders of magnitude) higher than the values of these quantities at other frequencies. This makes it possible to use such nanosystems as strongly absorbing nanomaterials in a wide range of infrared (IR) waves with a wavelength that can be varied across a wide range depending on the type of contacting materials.Currently, new perovskite technologies are aiming to achieve the efficiency of crystalline silicon (Si). Compared to Si, PSCs have many advantages. Unlike Si, perovskites exhibit a direct bandgap, allowing for much more efficient absorption of light. As a result, only a thin film is required, reducing the cost of the manufacturing process (inexpensive solution processes). Unfortunately, a significant drawback is their sensitivity to moisture, air, and even light. Numerous research groups have experimented with various stabilization methods, but so far no PSC has demonstrated a durability close to that required for commercial solar cells (25 years). Instead of replacing Si, perovskite/Si tandem cells are expected to be the best solution. Because each material absorbs energy from different wavelengths of sunlight, perovskite/Si tandem cells have the potential to provide at least 20 % more energy efficiency than an Si cell. Tandem perovskite/Si photovoltaic cells have now achieved efficiencies of over 33 % in lab conditions, and their efficiency is much higher than that of Si and stand-alone cells. Перовскітні матеріали, такі як формамідиній бромід свинцю (FAPbBr3) і легований етилендіамонієм FAPbBr3 ({en}FAPbBr3), широко використовуються в нанооптоелектронних пристроях завдяки відносно простому процесу виготовлення, низькій вартості та високій ефективності. Було досягнуто суттєвих результатів у теоретичних і експериментальних дослідженнях випромінювання та поглинання світла, продуктивності виявлення та конструкції пристроїв, особливо для роботи у видимій та ближній інфрачервоній (NIR) областях. Розглядаються можливості напівпровідникових перовскітних сонячних елементів (PSC) як надійного кандидата для збору сонячної енергії наступного покоління. Теоретично показано, що в наносистемі, яка взаємодіє з випромінюванням низької інтенсивності, осциляторні сили переходів, а також дипольні моменти переходів для одночастинкових електронних квантово-вимірних станів, які виникають у перовскітах, що містять нанокристали (НК) FAPbBr? та {en}FAPbBr?, набули значень, що на два порядки перевищували типові величини відповідних напівпровідників. Встановлено, що на резонансній частоті електронного переходу величини максимального оптичного поглинання НК, а також поляризовності НК набували гігантських значень, які перевищували на сім порядків ці величини на інших частотах. Це дає можливість використовувати такі наносистеми як наноматеріали, що сильно поглинають в широкому діапазоні інфрачервоних (ІЧ) хвиль з довжинами хвиль, які можна варіювати залежно від типу контактуючих матеріалів. В даний час нові перовскітні технології спрямовані на досягнення ефективності перетворення сонячної енергії по відношенню до кристалічного кремнієвого (Si) елемента. У порівнянні з кремнієвого (Si) елемента, перовскітні сонячні елементи (PSC) мають багато переваг. На відміну від Si, перовскіти демонструють пряму заборонену зону, що дозволяє набагато ефективніше поглинати світло. У результаті потрібна лише тонка плівка, що знижує вартість виробничого процесу (недорогі процеси розчинення). На жаль, істотним недоліком є їхня чутливість до вологи, повітря і навіть світла. Численні дослідницькі групи експериментували з різними методами стабілізації, але поки що жоден PSC не продемонстрував довговічність, близьку до тієї, яка потрібна для комерційних сонячних елементів (25 років). Очікується, що замість заміни кремнію найкращим рішенням будуть тандемні елементи перовскіт/кремній. Оскільки кожен матеріал поглинає енергію сонячного світла з різною довжиною хвилі, тандемні елементи з перовскіту та кремнію можуть забезпечити принаймні на 20 % більшу енергоефективність, ніж кремнієвий елемент. Тандемні перовскітно-кремнієві фотоелектричні елементи тепер досягли ефективності понад 33 % у лабораторних умовах, і їхня ефективність набагато вища, ніж у кремнієвих та автономних елементів. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-08-28 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/804 10.15407/hftp16.03.322 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 16 No. 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 322-338 Химия, физика и технология поверхности; Том 16 № 3 (2025): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 322-338 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 16 № 3 (2025): Хімія, фізика та технологія поверхні; 322-338 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp16.03 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/804/803 Copyright (c) 2025 S.I. Pokutnii, T.Yu. Gromovoy, V.M. Ovdenko https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |