Pitkäaikainen selitys sille, miksi perovskiittimateriaalit tekevät niin hyviä aurinkokennoja, on asetettu kyseenalaiseksi uusien mittausten ansiosta. Aiemmin fyysikot katsoivat lyijyhalogenidiperovskiittien suotuisat optoelektroniset ominaisuudet polaroneiksi kutsuttujen kvasihiukkasten käyttäytymiseen materiaalin kidehilassa. Nyt kuitenkin yksityiskohtaisia kokeita Saksassa BESSY II synkrotroni paljasti, että suuria polaroneja ei ole läsnä. Työ valaisee uutta perovskiittien optimointia tosielämän sovelluksiin, mukaan lukien valodiodit, puolijohdelaserit ja säteilyilmaisimet sekä aurinkokennot.
Lyijyhalogenidiperovskiitit kuuluvat kiteisten materiaalien perheeseen, jossa on ABX3 rakenne, jossa A on cesium, metyyliammonium (MA) tai formamidinium (FA); B on lyijy tai tina; ja X on kloori, bromi tai jodi. Ne ovat lupaavia ehdokkaita ohutkalvoaurinkokennoille ja muille optoelektronisille laitteille, koska niiden viritettävät kaistanvälit mahdollistavat valon absorboimisen laajalla aallonpituusalueella aurinkospektrissä. Varauksenkannattimet (elektronit ja reiät) leviävät myös niiden läpi pitkiä matkoja. Nämä erinomaiset ominaisuudet antavat perovskiittisille aurinkokennoille yli 18 prosentin tehonmuunnostehokkuuden, mikä asettaa ne vakiintuneiden aurinkokennomateriaalien, kuten piin, galliumarsenidin ja kadmiumtelluridin, tasolle.
Tutkijat ovat kuitenkin edelleen epävarmoja siitä, miksi varauksen kantajat kulkevat niin hyvin perovskiiteissa, varsinkin kun perovskiitit sisältävät paljon enemmän vikoja kuin vakiintuneet aurinkokennomateriaalit. Yksi hypoteesi on, että polaronit – komposiittihiukkaset, jotka koostuvat elektronista, jota ympäröi ionisten fononien pilvi eli hilavärähtely – toimivat näyttöinä, jotka estävät varauksenkantajia vuorovaikutuksesta vikojen kanssa.
Elektronien kineettisen energian mittaaminen
Uusimmassa työssä solid-state-fyysikon johtama tiimi Oliver Rader että Helmholtz-Zentrum Berlin testasi tätä hypoteesia käyttämällä tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä kulmaresoluutioinen fotoemission spektroskopia (ARPES). Tämä tekniikka tuottaa tietoa materiaalin elektronisesta kaistarakenteesta kineettisen energian kautta E= 1/2 mv2 sen elektroneista, missä m on elektronin massa ja v on sen nopeus. Kirjoitettu elektronin liikemäärän mukaan p=mv, tämä suhde vastaa paraabelia E=(p2)/(2m), joka voidaan mitata suoraan kokeessa.
Jos polaroneja todellakin esiintyy varauskuljetuksen aikana, elektronien pitäisi liikkua hitaammin – ja siten niiden tehollisen massan pitäisi olla suurempi – vuorovaikutusten ansiosta polaronien kanssa. Mitä suurempi elektronin tehollinen massa on, sitä pienempi on paraabelin kaarevuus. Mittaukset kuitenkin joukkueen jäsenen johdolla Maryam Sajedi kiteisen CsPbBr:n näytteissä3 ei pystynyt tunnistamaan odotettua paraabelin kaarevuuden vähenemistä. Tämä oli yllätys, Rader sanoo, koska teoria ennusti tehollisen massan parantuvan 28 prosentilla vastaavassa lyijyhalogenidiperovskiitissa, kun taas kilpaileva koe johti 50 prosentin parannuksen ARPES-tiedoista.
Rader syyttää eroa tekijöiden yhdistelmästä. Periaatteessa tehollinen massa on hänen mukaansa helppo mitata, mutta siinä on tärkeä huomautus. "Mittaamme paraabelin sitoutumisenergiassa suhteessa liikemäärään (jossa liikemäärä tulee suoraan "kulmasta" "kulmaresoluutioisessa fotoemissiossa"), hän selittää. "Kolmiulotteisessa kiinteässä aineessa tämä paraabeli on kuitenkin kolmiulotteisen paraboloidin leikkaus, ja jos emme leikkaa sitä sen huipusta, voimme saada väärän – yleensä suuremman – tehollisen massan."
Rader selittää edelleen, että ARPES:ssä liikemäärä x- ja y-suunnissa liittyy elektronien emissiokulmaan, mutta liikemäärä z-suunnassa määräytyy elektronien virittämiseen käytettyjen fotonien energian mukaan. BESSY II:n tapauksessa tämä fotonienergia tulee synkrotronisäteilystä spektrin vakuumi-ultraviolettialueen aallonpituuksilla. Pääosa kokeellisesta työstä oli siksi oikean fotonienergian löytäminen tehollisen massan määrittämiseksi, hän sanoo.
Etsimme uusia ratkaisuja halvoille ja vakaille aurinkokennoille
Lisätehtävänä oli laskea odotettu tehollinen massa ilman polaroneja. "Käytimme kehittynyttä menetelmää ja havaitsimme, että aiemmat laskelmat ennustivat liian pienen tehollisen massan", Rader sanoo. "Tämän edellisen työn ongelma oli siis puoliksi kokeellisella ja puoliksi teoreettisella puolella."
Luotettava tekniikka
Rader huomauttaa, että ARPES on aiemmin havainnut tehollisen elektronimassan lisääntymisen johtuen polaronien läsnäolosta kahdessa ei-perovskiittiyhdisteessä, TiO2 ja SrTiO3. Siksi se on luotettava tekniikka tämäntyyppiseen mittaukseen, hän sanoo. "Johtopäätöksemme on, että kokeellinen menetelmämme osoittaa, ettei ole viitteitä suurten polaronien muodostumisesta", hän sanoo. "Tämän tuloksen pitäisi johtaa niiden teorioiden uudelleenarviointiin, jotka ennustavat polaronien läsnäolon ja tärkeän roolin lyijyhalogenidiperovskiittien ominaisuuksien kannalta, mikä tärkeintä, niiden korkea hyötysuhde aurinkokennomateriaalina."
Jatkotoimena tutkijat sanovat, että he haluaisivat suorittaa samanlaisia mittauksia kiteiselle CsPbBr-näytteelle.3 valottaa sitä, mutta he odottavat tämän olevan "haastavaa" kokeellisesti. He raportoivat nykyisestä tutkimuksestaan Fyysisen tarkastelun kirjaimet.
