Tänu uutele mõõtmistele on kahtluse alla seatud pikaajaline selgitus, miks perovskiitmaterjalidest nii häid päikesepatareisid tehakse. Varem omistasid füüsikud pliihalogeniidperovskiitide soodsad optoelektroonilised omadused materjali kristallvõres olevate kvaasiosakeste, mida nimetatakse polaroonideks, käitumisele. Nüüd aga üksikasjalikud katsed Saksamaal BESSY II sünkrotron selgus, et suuri polarone pole. Töö heidab värsket valgust selle kohta, kuidas perovskiite saab optimeerida reaalsete rakenduste jaoks, sealhulgas valgusdioodid, pooljuhtlaserid ja kiirgusdetektorid ning päikesepatareid.
Pliihalogeniidperovskiidid kuuluvad ABX-ga kristalsete materjalide perekonda3 struktuur, kus A on tseesium, metüülammoonium (MA) või formamidiinium (FA); B on plii või tina; ja X on kloor, broom või jood. Need on paljutõotavad kandidaadid õhukese kilega päikesepatareide ja muude optoelektrooniliste seadmete jaoks, kuna nende häälestatavad ribalaiused võimaldavad neil neelata valgust päikesespektri laia lainepikkuste vahemikus. Ka laengukandjad (elektronid ja augud) hajuvad nende kaudu pikkade vahemaade taha. Need suurepärased omadused annavad perovskiidist päikesepatareidele võimsuse muundamise efektiivsuse üle 18%, asetades need samale tasemele väljakujunenud päikesepatarei materjalidega, nagu räni, galliumarseniid ja kaadmiumtelluriid.
Teadlased pole aga endiselt kindlad, miks laengukandjad perovskiitides nii hästi liiguvad, eriti kuna perovskiidid sisaldavad palju rohkem defekte kui väljakujunenud päikesepatareide materjalid. Üks hüpotees on, et polaronid – liitosakesed, mis koosnevad elektronist, mida ümbritseb ioonsete fononite pilv ehk võre vibratsioon – toimivad ekraanidena, takistades laengukandjatel defektidega suhtlemist.
Elektronide kineetilise energia mõõtmine
Viimases töös tahkisfüüsiku juhitud meeskond Oliver Rader Euroopa Helmholtz-Zentrum Berlin testis seda hüpoteesi tehnikaga, mida tuntakse kui nurgalahutusega fotoemissioonispektroskoopiat (ARPES). See meetod annab kineetilise energia kaudu teavet materjali elektroonilise riba struktuuri kohta E= 1/2 mv2 selle elektronidest, kus m on elektroni mass ja v on selle kiirus. Kirjutatud elektroni impulsi järgi p=mv, vastab see seos paraboolile E=(p2)/(2m), mida saab katses otse mõõta.
Kui polaronid on laengu transpordi ajal tõepoolest olemas, peaksid elektronid liikuma aeglasemalt – ja seega peaks nende efektiivne mass olema suurem – tänu interaktsioonidele polaroonidega. Mida suurem on elektroni efektiivne mass, seda väiksem on parabooli kõverus. Mõõtmised aga meeskonnaliikme juhtimisel Maryam Sajedi kristalse CsPbBr proovidel3 ei suutnud tuvastada parabooli kõveruse eeldatavat vähenemist. Rader ütleb, et see oli üllatus, sest teooria ennustas sellega seotud pliihalogeniidperovskiidi efektiivse massi suurenemist 28%, samas kui konkureeriv katse tõi ARPESi andmete põhjal tulemuse 50% võrra.
Rader omistab lahknevuse tegurite kombinatsioonile. Põhimõtteliselt on tema sõnul efektiivset massi lihtne mõõta, kuid on oluline hoiatus. "Mõõdame parabooli sidumisenergia ja impulsi suhtes (kus impulss tuleb otse "nurgast" "nurgaga lahutatud fotoemissioonis"), " selgitab ta. "Kuid kolmemõõtmelises tahkes kehas on see parabool kolmemõõtmelise paraboloidi lõige ja kui me seda selle tipust ei lõika, võime saada vale – tavaliselt suurema – efektiivse massi."
Edasi selgitab Rader, et ARPES-is on impulss x- ja y-suunas seotud elektronide emissiooninurgaga, kuid impulsi z-suunas määrab elektronide ergastamiseks kasutatavate footonite energia. BESSY II puhul pärineb see footoni energia sünkrotronkiirgusest spektri vaakumi ultraviolettpiirkonna lainepikkustel. Peamine osa eksperimentaalsest tööst oli seega efektiivse massi määramiseks õige footoni energia leidmine, ütleb ta.
Otsides uusi lahendusi odavate ja stabiilsete päikesepatareide jaoks
Edasine ülesanne oli arvutada eeldatav efektiivne mass ilma polaroonideta. "Kasutasime täiustatud meetodit ja leidsime, et varasemad arvutused ennustasid liiga väikest efektiivset massi, " ütleb Rader. "Selle eelmise töö probleem oli seetõttu pooleldi eksperimentaalne ja pool teoreetiline."
Usaldusväärne tehnika
Rader märgib, et ARPES on varem tuvastanud efektiivse elektronmassi suurenemise, mis on tingitud polaroonide olemasolust kahes mitteperovskiitühendis, TiO2 ja SrTiO3. Seetõttu on see seda tüüpi mõõtmiste jaoks usaldusväärne tehnika, ütleb ta. "Meie järeldus on, et meie eksperimentaalne meetod näitab, et suurte polaronide moodustumise kohta pole viiteid," ütleb ta. "See tulemus peaks viima teooriate ümberhindamiseni, mis ennustavad polaroonide olemasolu ja olulist rolli pliihalogeniidperovskiitide omadustes, mis kõige tähtsam on nende kõrge efektiivsus päikesepatarei materjalina."
Järeltegevusena väidavad teadlased, et nad sooviksid teha sarnaseid mõõtmisi kristalse CsPbBr prooviga.3 valgustades seda, kuid nad eeldavad, et see on eksperimentaalselt "väljakutsuv". Nad teatavad oma praegusest uuringust aastal Physical Review Letters.
