Penjelasan lama mengapa bahan perovskit menghasilkan sel surya yang bagus telah diragukan karena adanya pengukuran baru. Sebelumnya, fisikawan menganggap sifat optoelektronik yang menguntungkan dari perovskit timbal halida berasal dari perilaku kuasipartikel yang disebut polaron di dalam kisi kristal material. Namun sekarang, eksperimen mendetail dilakukan di Jerman Sinkronisasi BESSY II mengungkapkan bahwa tidak ada polaron besar. Pekerjaan ini memberikan pencerahan baru tentang bagaimana perovskit dapat dioptimalkan untuk aplikasi dunia nyata, termasuk dioda pemancar cahaya, laser semikonduktor dan detektor radiasi serta sel surya.
Perovskit timbal halida termasuk dalam keluarga bahan kristal dengan ABX3 struktur, dimana A adalah cesium, metilamonium (MA) atau formamidinium (FA); B adalah timah atau timah; dan X adalah klorin, brom atau yodium. Mereka merupakan kandidat yang menjanjikan untuk sel surya film tipis dan perangkat optoelektronik lainnya karena celah pita yang dapat disetel memungkinkan mereka menyerap cahaya pada rentang panjang gelombang yang luas dalam spektrum matahari. Pembawa muatan (elektron dan lubang) juga berdifusi melaluinya dalam jarak yang jauh. Sifat luar biasa ini memberikan sel surya perovskit efisiensi konversi daya lebih dari 18%, menempatkannya setara dengan bahan sel surya yang sudah ada seperti silikon, galium arsenida, dan kadmium telurida.
Namun, para peneliti masih belum yakin mengapa pembawa muatan dapat bergerak dengan baik di perovskit, terutama karena perovskit mengandung lebih banyak cacat dibandingkan bahan sel surya yang sudah ada. Salah satu hipotesisnya adalah bahwa polaron – partikel komposit yang terdiri dari elektron yang dikelilingi oleh awan fonon ionik, atau getaran kisi – bertindak sebagai layar, mencegah pembawa muatan berinteraksi dengan cacat tersebut.
Mengukur energi kinetik elektron
Dalam karya terbarunya, sebuah tim dipimpin oleh fisikawan solid-state Oliver Rader dari Helmholtz-Zentrum Berlin menguji hipotesis ini menggunakan teknik yang dikenal sebagai spektroskopi fotoemisi sudut-terselesaikan (ARPES). Teknik ini menghasilkan informasi tentang struktur pita elektronik suatu material melalui energi kinetik E= 1/2 mv2 elektronnya, di mana m adalah massa elektron dan v adalah kecepatannya. Ditulis dalam momentum elektron p=mv, hubungan ini sesuai dengan parabola E=(p2)/(2m) yang dapat langsung diukur dalam percobaan.
Jika polaron memang ada selama transpor muatan, elektron akan bergerak lebih lambat – sehingga massa efektifnya akan lebih tinggi – berkat interaksi dengan polaron. Semakin besar massa efektif elektron, semakin kecil kelengkungan parabola. Namun pengukuran dipimpin oleh anggota tim Maryam Sajedi pada sampel kristal CsPbBr3 gagal mengidentifikasi pengurangan yang diharapkan pada kelengkungan parabola. Hal ini mengejutkan, kata Rader, karena teori memperkirakan peningkatan massa efektif sebesar 28% pada perovskit halida timbal, sementara eksperimen yang bersaing memperoleh peningkatan sebesar 50% dari data ARPES.
Rader mengaitkan perbedaan ini dengan kombinasi beberapa faktor. Pada prinsipnya, katanya, massa efektif mudah diukur, namun ada peringatan penting. “Kami mengukur parabola dalam energi ikat versus momentum (di mana momentum datang langsung dari 'sudut' dalam 'fotoemisi sudut-diselesaikan'),” jelasnya. “Namun, dalam benda padat tiga dimensi, parabola ini adalah potongan dari paraboloid tiga dimensi, dan jika kita tidak memotongnya pada puncaknya, kita mungkin mendapatkan massa efektif yang salah – biasanya lebih tinggi –.”
Rader selanjutnya menjelaskan bahwa dalam ARPES, momentum pada arah x dan y berhubungan dengan sudut emisi elektron, namun momentum pada arah z ditentukan oleh energi foton yang digunakan untuk mengeksitasi elektron. Dalam kasus BESSY II, energi foton ini berasal dari radiasi sinkrotron pada panjang gelombang di wilayah spektrum ultraviolet vakum. Oleh karena itu, bagian utama dari pekerjaan eksperimental adalah menemukan energi foton yang tepat untuk menentukan massa efektif, katanya.
Mencari solusi baru untuk sel surya yang murah dan stabil
Tugas selanjutnya adalah menghitung massa efektif yang diharapkan tanpa polaron. “Kami menggunakan metode canggih dan menemukan bahwa perhitungan sebelumnya memperkirakan massa efektif terlalu kecil,” kata Rader. “Masalah dalam penelitian sebelumnya ini separuhnya terletak pada sisi eksperimental dan separuhnya lagi pada sisi teoritis.”
Sebuah teknik yang dapat diandalkan
Rader mencatat bahwa ARPES sebelumnya telah mendeteksi peningkatan massa elektron efektif karena adanya polaron dalam dua senyawa non-perovskit, TiO2 dan SrTiO3. Oleh karena itu, ini merupakan teknik yang dapat diandalkan untuk jenis pengukuran ini, katanya. “Kesimpulan kami adalah metode eksperimental kami menunjukkan tidak ada indikasi pembentukan polaron besar,” katanya. “Hasil ini harus mengarah pada penilaian ulang terhadap teori-teori yang memprediksi keberadaan dan peran penting polaron terhadap sifat-sifat perovskit timbal halida, yang terpenting adalah efisiensi tinggi mereka sebagai bahan sel surya.”
Sebagai tindak lanjut, para peneliti mengatakan mereka ingin melakukan pengukuran serupa pada sampel kristal CsPbBr3 sambil menyoroti hal ini, namun mereka memperkirakan hal ini akan “menantang” secara eksperimental. Mereka melaporkan penelitian mereka saat ini di Physical Review Letters.
