תעלומת הובלת מטענים מעמיקה בחומרים מבטיחים של תאים סולאריים

הסבר רב שנים מדוע חומרי פרוסקיט יוצרים תאים סולאריים טובים כל כך הוטל בספק הודות למדידות חדשות. בעבר, פיזיקאים ייחסו את התכונות האופטואלקטרוניות החיוביות של פרוסקיטים הליד עופרת להתנהגותם של קוואזי-חלקיקים הנקראים פולארונים בתוך סריג הגביש של החומר. אולם כעת, ניסויים מפורטים אצל גרמניה סינכרוטרון BESSY II גילה שאין פולארונים גדולים. העבודה שופכת אור חדש על האופן שבו ניתן לייעל פרוסקיטים עבור יישומים בעולם האמיתי, כולל דיודות פולטות אור, לייזרים מוליכים למחצה וגלאי קרינה וכן תאים סולאריים.

עופרת הליד פרוסקיטים שייכים למשפחה של חומרים גבישיים עם ABX₃ מבנה, כאשר A הוא צזיום, מתיל אמוניום (MA) או פורמידיניום (FA); B הוא עופרת או פח; ו-X הוא כלור, ברום או יוד. הם מועמדים מבטיחים לתאים סולאריים בעלי סרט דק ומכשירים אופטו-אלקטרוניים אחרים מכיוון שפערי הפס הניתנים לכיוון שלהם מאפשרים להם לספוג אור בטווח רחב של אורכי גל בספקטרום השמש. גם נושאי מטען (אלקטרונים וחורים) מתפזרים דרכם למרחקים ארוכים. תכונות מצוינות אלו מעניקות לתאים סולאריים פרוסקיט יעילות המרת הספק של יותר מ-18%, מה שמציב אותם בשורה אחת עם חומרים מבוססי תאים סולאריים כגון סיליקון, גליום ארסניד וקדמיום טלוריד.

עם זאת, החוקרים עדיין לא בטוחים מדוע בדיוק נושאי מטען נעים כל כך טוב בפרוסקיטים, במיוחד מכיוון שהפרוסקיטים מכילים הרבה יותר פגמים מאשר חומרים מבוססי תאים סולאריים. אחת ההשערות היא שפולארונים - חלקיקים מרוכבים המורכבים מאלקטרון המוקפים בענן של פונונים יוניים, או תנודות סריג - פועלים כמסכים, ומונעים אינטראקציה של נושאי מטען עם הפגמים.

מדידת האנרגיה הקינטית של אלקטרונים

בעבודה האחרונה, צוות בראשות פיזיקאי מצב מוצק אוליבר ראדר של הלמהולץ-מרכז ברלין בדק השערה זו באמצעות טכניקה המכונה ספקטרוסקופיה של פוטו-פליטה עם פתרון זווית (ARPES). טכניקה זו מניבה מידע על מבנה הרצועה האלקטרונית של החומר באמצעות האנרגיה הקינטית E= 1 / 2 mv² של האלקטרונים שלו, איפה m היא מסת האלקטרון ו v היא המהירות שלו. נכתב במונחים של תנע האלקטרונים p=mv, יחס זה מתאים לפרבולה E=(p²)/(2m) שניתן למדוד ישירות בניסוי.

אם אכן קיימים פולארונים במהלך הובלת מטען, האלקטרונים צריכים לנוע לאט יותר - וכך המסה האפקטיבית שלהם צריכה להיות גבוהה יותר - הודות לאינטראקציות עם הפולארונים. ככל שהמסה האפקטיבית של האלקטרון גדולה יותר, כך העקמומיות של הפרבולה קטנה יותר. עם זאת, מדידות בהובלת חבר צוות מרים סג'די על דגימות של CsPbBr גבישי₃ לא הצליח לזהות את הירידה הצפויה בעקמומיות הפרבולה. זו הייתה הפתעה, אומר ראדר, מכיוון שהתיאוריה חזתה שיפור של המסה האפקטיבית ב-28% בפרוסקיט הליד עופרת קשור, בעוד שניסוי מתחרה הביא שיפור של 50% מנתוני ARPES.

Rader מייחס את הפער לשילוב של גורמים. באופן עקרוני, הוא אומר, המסה האפקטיבית פשוטה למדידה, אבל יש אזהרה חשובה. "אנחנו מודדים פרבולה באנרגיית הקישור לעומת המומנטום (כאשר המומנטום מגיע ישירות מה'זווית' ב'פליטת פוטו שנפתרה זווית')", הוא מסביר. "עם זאת, במוצק תלת מימדי, פרבולה זו היא חתך של פרבולואיד תלת מימדי, ואם לא נחתוך אותה בקודקוד שלה, אנו עלולים להשיג מסה אפקטיבית שגויה - בדרך כלל גבוהה יותר".

ראדר ממשיך ומסביר שב-ARPES, התנע בכיווני x ו-y קשור לזווית פליטת האלקטרונים, אך התנע בכיוון z נקבע על ידי האנרגיה של הפוטונים המשמשים לעורר את האלקטרונים. במקרה של BESSY II, אנרגיית הפוטון הזו מגיעה מקרינת סינכרוטרונים באורכי גל באזור האולטרה-סגול הוואקום של הספקטרום. החלק העיקרי של עבודת הניסוי היה אפוא מציאת אנרגיית הפוטון הנכונה כדי לקבוע את המסה האפקטיבית, הוא אומר.

משימה נוספת הייתה לחשב את המסה האפקטיבית הצפויה ללא פולארונים. "השתמשנו בשיטה מתקדמת וגילינו שחישובים קודמים חזו מסה אפקטיבית קטנה מדי", אומר ראדר. "הבעיה עם העבודה הקודמת הזו הייתה אפוא חצי בצד הניסיוני וחצי בצד התיאורטי."

טכניקה אמינה

ראדר מציין כי ARPES זיהה בעבר שיפור במסת האלקטרונים האפקטיבית עקב נוכחות פולארונים בשתי תרכובות שאינן פרוסקיט, TiO₂ ו-SrTiO₃. לכן זוהי טכניקה אמינה למדידה מסוג זה, הוא אומר. "המסקנה שלנו היא ששיטת הניסוי שלנו מראה שאין אינדיקציה להיווצרות פולארונים גדולים", הוא אומר. "תוצאה זו אמורה להוביל להערכה מחודשת של התיאוריות המנבאות את נוכחותם ותפקידם החשוב של הפולארונים עבור תכונותיהם של פרוסקיטים הליד עופרת, והכי חשוב היעילות הגבוהה שלהם כחומר תאים סולאריים."

כהמשך, החוקרים אומרים שהם רוצים לבצע מדידות דומות על מדגם של CsPbBr גבישי₃ בעודם מאירים עליו אור, אבל הם מצפים שזה יהיה "מאתגר" בניסוי. הם מדווחים על המחקר הנוכחי שלהם ב מכתבי סקירה פיזית.