ペロブスカイト材料がなぜこのような優れた太陽電池を作るのかについての長年の説明は、新しい測定のおかげで疑問視されてきました。 以前は、物理学者は、ハロゲン化鉛ペロブスカイトの好ましい光電子特性を、材料の結晶格子内のポーラロンと呼ばれる準粒子の挙動に起因すると考えていました。 しかし今、ドイツでの詳細な実験 BESSYIIシンクロトロン 大きなポーラロンが存在しないことを明らかにした。 この研究は、発光ダイオード、半導体レーザー、放射線検出器、太陽電池など、実際のアプリケーション向けにペロブスカイトを最適化する方法に新たな光を当てています。
ハロゲン化鉛ペロブスカイトは、ABXを備えた結晶性材料のファミリーに属しています。3 構造。Aはセシウム、メチルアンモニウム（MA）、またはホルムアミジニウム（FA）です。 Bは鉛またはスズです。 Xは塩素、臭素、またはヨウ素です。 それらは、調整可能なバンドギャップにより、太陽スペクトルの広範囲の波長の光を吸収できるため、薄膜太陽電池やその他のオプトエレクトロニクスデバイスの有望な候補です。 電荷キャリア（電子と正孔）も長距離にわたって拡散します。 これらの優れた特性により、ペロブスカイト太陽電池は18％以上の電力変換効率を実現し、シリコン、ガリウムヒ素、テルル化カドミウムなどの確立された太陽電池材料と同等になります。
しかし、特にペロブスカイトには確立された太陽電池材料よりもはるかに多くの欠陥が含まれているため、研究者はまだペロブスカイト内で電荷キャリアが非常によく移動する理由を正確に確信していません。 XNUMXつの仮説は、ポーラロン（イオンフォノンの雲に囲まれた電子で構成される複合粒子、または格子振動）がスクリーンとして機能し、電荷キャリアが欠陥と相互作用するのを防ぐというものです。
電子の運動エネルギーの測定
最新の作品では、固体物理学者が率いるチーム オリバーレーダー Helmholtz-Zentrumベルリン 角度分解光電子分光法（ARPES）として知られている技術を使用してこの仮説をテストしました。 この手法は、運動エネルギーを介して材料の電子バンド構造に関する情報を生成します E= 1/2 mv2 その電子の、ここで m 電子の質量であり、 v その速度です。 電子の運動量で書かれている p=mv、この関係は放物線に対応します E=(p2）/（2m）実験で直接測定することができます。
電荷輸送中にポーラロンが実際に存在する場合、ポーラロンとの相互作用のおかげで、電子はよりゆっくりと移動するはずです。したがって、それらの有効質量はより高くなるはずです。 電子の有効質量が大きいほど、放物線の曲率は小さくなります。 ただし、チームメンバーが主導する測定 マリアム・サジェディ 結晶性CsPbBrのサンプル3 放物線の曲率の予想される減少を特定できませんでした。 理論では、関連するハロゲン化鉛ペロブスカイトの有効質量が28％増加すると予測されていたのに対し、競合する実験ではARPESデータから50％の増加が得られたため、これは驚きでした。
レーダーは、この不一致を要因の組み合わせに起因すると考えています。 原則として、有効質量の測定は簡単ですが、重要な注意点があります。 「結合エネルギーと運動量の放物線を測定します（運動量は「角度分解光電子放出」の「角度」から直接得られます）」と彼は説明します。 「しかし、XNUMX次元の固体では、この放物線はXNUMX次元の放物面のカットであり、頂点でカットしないと、間違った、通常はより高い有効質量が得られる可能性があります。」
Raderはさらに、ARPESでは、x方向とy方向の運動量は電子放出角度に関連しているが、z方向の運動量は電子を励起するために使用される光子のエネルギーによって決定されると説明しています。 BESSY IIの場合、この光子エネルギーは、スペクトルの真空紫外線領域の波長でのシンクロトロン放射から発生します。 したがって、実験作業の主要部分は、有効質量を決定するための正しい光子エネルギーを見つけることでした、と彼は言います。
安価で安定した太陽電池の新しいソリューションを求めて
さらなるタスクは、ポーラロンなしで期待される有効質量を計算することでした。 「高度な方法を使用したところ、以前の計算では有効質量が小さすぎることが予測されていました」とRader氏は言います。 「したがって、この以前の研究の問題は、半分が実験的で半分が理論的側面でした。」
信頼できるテクニック
Raderは、ARPESは、XNUMXつの非ペロブスカイト化合物であるTiOにポーラロンが存在するため、有効電子質量の増加を以前に検出したと述べています。2 およびSrTiO3。 したがって、これはこのタイプの測定にとって信頼できる手法であると彼は言います。 「私たちの結論は、私たちの実験方法は、大きなポーラロンの形成の兆候がないことを示しているということです」と彼は言います。 「この結果は、ハロゲン化鉛ペロブスカイトの特性に対するポーラロンの存在と重要な役割、最も重要なのは太陽電池材料としての高効率を予測する理論の再評価につながるはずです。」
フォローアップとして、研究者たちは、結晶性CsPbBrのサンプルで同様の測定を実行したいと述べています。3 それに光を当てながら、しかし彼らはこれが実験的に「挑戦的」であると期待しています。 彼らは現在の研究を Physical Review Lettersに.
