توضیح دیرینه برای اینکه چرا مواد پروسکایت چنین سلول های خورشیدی خوبی را می سازند، به لطف اندازه گیری های جدید مورد تردید قرار گرفته است. پیش از این، فیزیکدانان خواص اپتوالکترونیکی مطلوب پروسکایت هالید سرب را به رفتار شبه ذراتی به نام پولارون در شبکه کریستالی این ماده نسبت می دادند. با این حال، در حال حاضر، آزمایش های دقیق در آلمان سنکروترون BESSY II نشان داد که هیچ پلارون بزرگی وجود ندارد. این کار، چگونگی بهینه سازی پروسکایت ها را برای کاربردهای واقعی، از جمله دیودهای ساطع کننده نور، لیزرهای نیمه هادی و آشکارسازهای تشعشع و همچنین سلول های خورشیدی، روشن می کند.
پروسکایت هالید سرب متعلق به خانواده ای از مواد کریستالی با ABX است3 ساختار، که در آن A سزیم، متیل آمونیوم (MA) یا فرمیدینیم (FA) است. B سرب یا قلع است. و X کلر، برم یا ید است. آنها نامزدهای امیدوارکننده‌ای برای سلول‌های خورشیدی لایه نازک و سایر دستگاه‌های اپتوالکترونیکی هستند، زیرا شکاف‌های باند قابل تنظیم آنها را قادر می‌سازد تا نور را در طیف وسیعی از طول‌موج‌ها در طیف خورشیدی جذب کنند. حامل های بار (الکترون ها و حفره ها) نیز در فواصل طولانی از طریق آنها پخش می شوند. این ویژگی‌های عالی به سلول‌های خورشیدی پروسکایت بازده تبدیل توان بیش از 18 درصد می‌دهد و آنها را با مواد سلول خورشیدی ثابت مانند سیلیکون، آرسنید گالیم و تلورید کادمیوم همتراز می‌کند.
با این حال، محققان هنوز مطمئن نیستند که دقیقاً چرا حامل‌های بار در پروسکایت‌ها اینقدر خوب حرکت می‌کنند، به خصوص که پروسکایت‌ها دارای نقص‌های بسیار بیشتری نسبت به مواد سلول خورشیدی هستند. یک فرضیه این است که پولارون ها - ذرات مرکب ساخته شده از یک الکترون احاطه شده توسط ابری از فونون های یونی یا ارتعاشات شبکه - به عنوان صفحه نمایش عمل می کنند و از برهم کنش حامل های بار با نقص ها جلوگیری می کنند.
اندازه گیری انرژی جنبشی الکترون ها
در جدیدترین کار، تیمی به رهبری فیزیکدان حالت جامد الیور رادر از هلمهولتز-زنتروم برلین این فرضیه را با استفاده از تکنیکی به نام طیف‌سنجی نوری با تفکیک زاویه‌ای (ARPES) آزمایش کرد. این تکنیک اطلاعاتی در مورد ساختار نوار الکترونیکی یک ماده از طریق انرژی جنبشی به دست می‌دهد E= 1/2 mv2 از الکترون های آن، که در آن m جرم الکترون است و v سرعت آن است بر حسب تکانه الکترون نوشته شده است p=mv، این رابطه با سهمی مطابقت دارد E=(p2)/(2m) که می تواند به طور مستقیم در آزمایش اندازه گیری شود.
اگر پولارون‌ها واقعاً در حین انتقال بار وجود داشته باشند، به لطف برهمکنش با پولارون‌ها، الکترون‌ها باید آهسته‌تر حرکت کنند - و بنابراین جرم مؤثر آنها باید بیشتر باشد. هر چه جرم موثر الکترون بزرگتر باشد، انحنای سهمی کوچکتر است. با این حال، اندازه‌گیری‌ها توسط اعضای تیم انجام می‌شود مریم ساجدی بر روی نمونه های CsPbBr کریستالی3 نتوانست کاهش مورد انتظار در انحنای سهمی را شناسایی کند. رادر می‌گوید این یک تعجب بود، زیرا تئوری افزایش 28 درصدی جرم مؤثر را در پروسکایت هالید سرب مرتبط پیش‌بینی کرد، در حالی که یک آزمایش رقیب افزایش 50 درصدی را از داده‌های ARPES به دست آورد.
رادر این اختلاف را به ترکیبی از عوامل نسبت می دهد. او می گوید که اصولاً اندازه گیری جرم مؤثر ساده است، اما یک هشدار مهم وجود دارد. او توضیح می‌دهد: «ما یک سهمی را در انرژی اتصال در مقابل تکانه اندازه‌گیری می‌کنیم (جایی که تکانه مستقیماً از «زاویه» در «گسترش نوری تفکیک‌شده با زاویه» می‌آید). با این حال، در یک جامد سه بعدی، این سهمی برشی از یک سهمی سه بعدی است و اگر آن را در راس آن برش ندهیم، ممکن است جرم موثر اشتباه - معمولاً بالاتر - را به دست آوریم.
رادر در ادامه توضیح می دهد که در ARPES، تکانه در جهت x و y با زاویه انتشار الکترون مرتبط است، اما تکانه در جهت z توسط انرژی فوتون هایی که برای برانگیختن الکترون ها استفاده می شود، تعیین می شود. در مورد BESSY II، این انرژی فوتون از تابش سنکروترون در طول موج‌های ناحیه فرابنفش خلاء طیف می‌آید. او می گوید بنابراین بخش اصلی کار آزمایشی یافتن انرژی فوتون مناسب برای تعیین جرم موثر بود.
در جستجوی راه حل های جدید برای سلول های خورشیدی ارزان و پایدار
کار دیگر محاسبه جرم موثر مورد انتظار بدون پولارون بود. رادر می‌گوید: «ما از یک روش پیشرفته استفاده کردیم و متوجه شدیم که محاسبات قبلی یک جرم مؤثر بسیار کوچک را پیش‌بینی می‌کردند. بنابراین مشکل این کار قبلی نیمی در جنبه تجربی و نیمی در جنبه نظری بود.
یک تکنیک قابل اعتماد
رادر خاطرنشان می کند که ARPES قبلاً افزایشی را در جرم الکترون مؤثر به دلیل وجود پولارون در دو ترکیب غیر پروسکایتی TiO تشخیص داده است.2 و SrTiO3. او می‌گوید بنابراین این یک تکنیک قابل اعتماد برای این نوع اندازه‌گیری است. او می گوید: «نتیجه گیری ما این است که روش تجربی ما نشان می دهد که هیچ نشانه ای برای تشکیل پلارون های بزرگ وجود ندارد. این نتیجه باید به ارزیابی مجدد نظریه‌هایی منجر شود که حضور و نقش مهم پولارون‌ها را برای خواص پروسکایت‌های هالید سرب، مهم‌تر از کارآیی بالای آنها به عنوان یک ماده سلول خورشیدی، پیش‌بینی می‌کنند.»
به عنوان پیگیری، محققان می‌گویند که مایلند اندازه‌گیری‌های مشابهی را روی نمونه‌ای از CsPbBr کریستالی انجام دهند.3 در حالی که نور را بر آن می تابانند، اما آنها انتظار دارند که از نظر تجربی "چالش برانگیز" باشد. آنها تحقیقات فعلی خود را در Physical Review Letters به.
