التفسير طويل الأمد لسبب جعل مواد البيروفسكايت تجعل مثل هذه الخلايا الشمسية الجيدة موضع شك بفضل القياسات الجديدة. في السابق ، أرجع الفيزيائيون الخصائص الكهروضوئية المفضلة لبيروفسكايت هاليد الرصاص إلى سلوك أشباه الجسيمات المسماة بولارونات داخل الشبكة البلورية للمادة. الآن ، ومع ذلك ، تجارب مفصلة في ألمانيا بيسي الثاني السنكروترون كشفت عن عدم وجود بولارونات كبيرة. يلقي العمل الضوء على كيفية تحسين البيروفسكايت لتطبيقات العالم الحقيقي ، بما في ذلك الثنائيات الباعثة للضوء وأشعة الليزر وأجهزة الكشف عن الإشعاع وكذلك الخلايا الشمسية.
تنتمي بيروفسكايت هاليد الرصاص إلى عائلة من المواد البلورية ذات ABX3 هيكل ، حيث A هو السيزيوم ، ميثيل الأمونيوم (MA) أو فورمامدينيوم (FA) ؛ B هو الرصاص أو القصدير ؛ و X عبارة عن كلور أو بروم أو يود. إنهم مرشحون واعدون للخلايا الشمسية ذات الأغشية الرقيقة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الضوئية لأن فجوات النطاق القابلة للضبط تمكنهم من امتصاص الضوء على مدى واسع من الأطوال الموجية في الطيف الشمسي. كما تنتشر ناقلات الشحنات (الإلكترونات والثقوب) عبرها لمسافات طويلة. تمنح هذه الخصائص الممتازة خلايا البيروفسكايت الشمسية كفاءة تحويل طاقة تزيد عن 18٪ ، مما يجعلها على قدم المساواة مع مواد الخلايا الشمسية الراسخة مثل السيليكون وزرنيخيد الغاليوم وتيلورايد الكادميوم.
ومع ذلك ، لا يزال الباحثون غير متأكدين من سبب انتقال ناقلات الشحن بشكل جيد جدًا في البيروفسكايت ، خاصة وأن البيروفسكايت يحتوي على عيوب أكثر بكثير من مواد الخلايا الشمسية المعروفة. إحدى الفرضيات هي أن البولارونات - وهي جسيمات مركبة مكونة من إلكترون محاطة بسحابة من الفونونات الأيونية ، أو الاهتزازات الشبكية - تعمل كشاشات تمنع حاملات الشحنة من التفاعل مع العيوب.
قياس الطاقة الحركية للإلكترونات
في العمل الأخير ، فريق بقيادة فيزيائي الحالة الصلبة أوليفر رايدر ل هيلمهولتز زينتروم برلين اختبرت هذه الفرضية باستخدام تقنية تعرف باسم التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي الزاوية (ARPES). تنتج هذه التقنية معلومات حول بنية النطاق الإلكتروني للمادة عبر الطاقة الحركية E= 1 / 2 mv2 من إلكتروناتها ، حيث m هي كتلة الإلكترون و v هي سرعته. مكتوبة من حيث زخم الإلكترون p=mv، هذه العلاقة تتوافق مع القطع المكافئ E=(p2) / (2m) التي يمكن قياسها مباشرة في التجربة.
إذا كانت البولارونات موجودة بالفعل أثناء نقل الشحنة ، فيجب أن تتحرك الإلكترونات بشكل أبطأ - وبالتالي يجب أن تكون كتلتها الفعالة أعلى - بفضل التفاعلات مع القطبين. كلما زادت كتلة الإلكترون الفعالة ، قل انحناء القطع المكافئ. ومع ذلك ، القياسات التي قادها عضو الفريق مريم ساجدي على عينات من CsPbBr البلورية3 فشل في تحديد الانخفاض المتوقع في انحناء القطع المكافئ. يقول رايدر إن هذه كانت مفاجأة لأن النظرية تنبأت بتعزيز الكتلة الفعالة بنسبة 28٪ في مادة هاليد بيروفسكايت مرتبطة بهاليد الرصاص ، بينما استخلصت تجربة منافسة تعزيزًا بنسبة 50٪ من بيانات ARPES.
يعزو رايدر التناقض إلى مجموعة من العوامل. من حيث المبدأ ، كما يقول ، من السهل قياس الكتلة الفعالة ، لكن هناك تحذيرًا مهمًا. "نقيس القطع المكافئ في طاقة الربط مقابل الزخم (حيث يأتي الزخم مباشرة من" الزاوية "في" الانبعاث الضوئي للزاوية ") ، يشرح. "ومع ذلك ، في مادة صلبة ثلاثية الأبعاد ، فإن هذا القطع المكافئ هو قطع مكافئ ثلاثي الأبعاد ، وإذا لم نقطعه عند قمته ، فقد نحصل على كتلة فعالة خاطئة - عادةً أعلى -".
يمضي رايدر في شرح أنه في ARPES ، يرتبط الزخم في الاتجاهين x و y بزاوية انبعاث الإلكترون ، لكن الزخم في الاتجاه z يتم تحديده بواسطة طاقة الفوتونات المستخدمة لإثارة الإلكترونات. في حالة BESSY II ، تأتي طاقة الفوتون هذه من إشعاع السنكروترون بأطوال موجية في منطقة الفراغ فوق البنفسجية من الطيف. لذلك كان الجزء الرئيسي من العمل التجريبي هو إيجاد طاقة الفوتون الصحيحة لتحديد الكتلة الفعالة ، كما يقول.
بحثا عن حلول جديدة لخلايا شمسية رخيصة ومستقرة
كانت المهمة الأخرى هي حساب الكتلة الفعالة المتوقعة بدون البولارونات. يقول رايدر: "استخدمنا طريقة متقدمة ووجدنا أن الحسابات السابقة توقعت كتلة فعالة صغيرة جدًا". "وبالتالي فإن مشكلة هذا العمل السابق كانت نصفها في الجانب التجريبي والنصف الآخر في الجانب النظري."
تقنية موثوقة
يلاحظ رايدر أن ARPES قد اكتشف سابقًا تحسنًا في كتلة الإلكترون الفعالة بسبب وجود البولارونات في مركبين غير بيروفسكايت ، TiO2 و SrTiO3. لذلك فهي تقنية موثوقة لهذا النوع من القياس ، كما يقول. يقول: "استنتاجنا هو أن طريقتنا التجريبية تُظهر أنه لا يوجد مؤشر لتشكيل بولارونات كبيرة". "يجب أن تؤدي هذه النتيجة إلى إعادة تقييم النظريات التي تتنبأ بوجود ودور مهم للبولارونات لخصائص بيروفسكايت هاليد الرصاص ، والأهم من ذلك كفاءتها العالية كمواد للخلايا الشمسية."
كمتابعة ، يقول الباحثون إنهم يرغبون في إجراء قياسات مماثلة على عينة من CsPbBr البلورية3 بينما يسلطون الضوء عليه ، لكنهم يتوقعون أن يكون هذا "تحديًا" تجريبيًا. قاموا بالإبلاغ عن أبحاثهم الحالية في استعراض للحروف البدنية.
