Az új méréseknek köszönhetően megkérdőjelezték azt a régóta fennálló magyarázatot, hogy a perovszkit anyagokból miért készítenek ilyen jó napelemeket. Korábban a fizikusok az ólom-halogenid-perovszkitok kedvező optoelektronikai tulajdonságait a polaronoknak nevezett kvázirészecskék viselkedésének tulajdonították az anyag kristályrácsában. Most azonban részletes kísérletek Németországban BESSY II szinkrotron kiderült, hogy nincsenek jelen nagy polaronok. A munka új megvilágításba helyezi, hogyan lehet a perovszkitokat optimalizálni valós alkalmazásokhoz, beleértve a fénykibocsátó diódákat, a félvezető lézereket és a sugárzásérzékelőket, valamint a napelemeket.
Az ólom-halogenid perovszkitok az ABX-el rendelkező kristályos anyagok családjába tartoznak3 szerkezet, ahol A jelentése cézium, metil-ammónium (MA) vagy formamidinium (FA); B jelentése ólom vagy ón; és X jelentése klór-, bróm- vagy jódatom. Ígéretes jelöltek a vékonyfilmes napelemek és más optoelektronikai eszközök számára, mivel hangolható sávszélességeik lehetővé teszik számukra, hogy a nap spektrumában széles hullámhossz-tartományban nyeljék el a fényt. A töltéshordozók (elektronok és lyukak) szintén nagy távolságra diffundálnak rajtuk. Ezek a kiváló tulajdonságok a perovszkit napelemeknek több mint 18%-os teljesítményátalakítási hatékonyságot biztosítanak, így egy szintre helyezik azokat a bevált napelem anyagokkal, mint a szilícium, gallium-arzenid és kadmium-tellurid.
A kutatók azonban még mindig nem biztosak abban, hogy a töltéshordozók pontosan miért mozognak olyan jól a perovszkitokban, különösen azért, mert a perovszkitek sokkal több hibát tartalmaznak, mint a napelemes anyagok. Az egyik hipotézis az, hogy a polaronok – ionos fononfelhővel vagy rácsrezgésekkel körülvett elektronból álló összetett részecskék – képernyőként működnek, megakadályozva, hogy a töltéshordozók kölcsönhatásba lépjenek a hibákkal.
Az elektronok mozgási energiájának mérése
A legújabb munkában egy szilárdtestfizikus által vezetett csapat Oliver Rader az Helmholtz-Zentrum Berlin Ezt a hipotézist egy szögfelbontású fotoemissziós spektroszkópia (ARPES) néven ismert technikával tesztelték. Ez a technika a kinetikus energián keresztül információt ad az anyag elektronikus sávszerkezetéről E= 1/2 mv2 elektronjaiból, hol m az elektron tömege és v a sebessége. Az elektron impulzusával írva p=mv, ez az összefüggés egy parabolának felel meg E=(p2)/(2m), amely közvetlenül mérhető a kísérletben.
Ha valóban jelen vannak polaronok a töltéstranszport során, akkor a polaronokkal való kölcsönhatásnak köszönhetően az elektronoknak lassabban kell mozogniuk – és így nagyobb effektív tömegüknek kell lennie. Minél nagyobb az elektron effektív tömege, annál kisebb a parabola görbülete. A méréseket azonban csapattag vezeti Maryam Sajedi kristályos CsPbBr mintákon3 nem sikerült azonosítani a parabola görbületének várható csökkenését. Rader szerint ez meglepő volt, mert az elmélet szerint egy rokon ólom-halogenid-perovszkit effektív tömege 28%-kal megnövekszik, míg egy versengő kísérlet 50%-os növekedést eredményezett az ARPES adatokból.
Rader az eltérést tényezők kombinációjának tulajdonítja. Elvileg – mondja – az effektív tömeget egyszerű megmérni, de van egy fontos figyelmeztetés. „Mérünk egy parabolát a kötési energiában a lendülettel szemben (ahol az impulzus közvetlenül a „szögből” származik a „szögfeloldott fotoemisszióban”)” – magyarázza. "Azonban egy háromdimenziós szilárd testben ez a parabola egy háromdimenziós paraboloid metszete, és ha nem vágjuk le a csúcsánál, akkor rossz – általában nagyobb – effektív tömeget kaphatunk."
Rader a továbbiakban kifejti, hogy az ARPES-ben az x és y irányú impulzus az elektronemissziós szöggel függ össze, de a z irányú impulzus az elektronok gerjesztésére használt fotonok energiája határozza meg. A BESSY II esetében ez a fotonenergia a spektrum vákuum ultraibolya tartományában lévő hullámhosszú szinkrotron sugárzásból származik. A kísérleti munka fő része tehát a megfelelő fotonenergia megtalálása volt az effektív tömeg meghatározásához – mondja.
Új megoldások keresése olcsó és stabil napelemekhez
További feladat volt a várható effektív tömeg kiszámítása polaronok nélkül. „Egy fejlett módszert alkalmaztunk, és azt találtuk, hogy a korábbi számítások túl kicsi effektív tömeget jósoltak” – mondja Rader. "Az előző munkával a probléma ezért felerészben a kísérleti, félig az elméleti oldalon volt."
Megbízható technika
Rader megjegyzi, hogy az ARPES korábban kimutatta az effektív elektrontömeg növekedését a polaronok jelenléte miatt két nem perovszkit vegyületben, a TiO-ban.2 és SrTiO3. Ezért ez egy megbízható technika az ilyen típusú mérésekhez, mondja. „Az a következtetésünk, hogy kísérleti módszerünk azt mutatja, hogy nincs jele nagy polaronok kialakulásának” – mondja. "Ez az eredmény azoknak az elméleteknek az újraértékeléséhez vezet, amelyek előrevetítik a polaronok jelenlétét és fontos szerepét az ólom-halogenid-perovszkitek tulajdonságaiban, ami a legfontosabb a napelem-anyagként való nagy hatékonyságukban."
Következésképpen a kutatók azt mondják, hogy hasonló méréseket szeretnének végezni egy kristályos CsPbBr mintán.3 miközben rávilágítanak rá, de azt várják, hogy ez kísérletileg „kihívó” lesz. Jelen kutatásukról ben számolnak be Fizikai áttekintés betűk.
