페로브스카이트 재료가 왜 그렇게 좋은 태양 전지를 만드는지에 대한 오랜 설명은 새로운 측정 덕분에 의심의 여지가 있습니다. 이전에 물리학자들은 할로겐화납 페로브스카이트의 유리한 광전자 특성을 물질의 결정 격자 내 폴라론이라고 하는 준입자의 거동으로 돌렸습니다. 그러나 이제 독일의 상세한 실험 BESSY II 싱크로트론 큰 폴라론이 존재하지 않는 것으로 밝혀졌다. 이 연구는 페로브스카이트가 발광 다이오드, 반도체 레이저, 방사선 검출기 및 태양 전지를 포함한 실제 응용 분야에 어떻게 최적화될 수 있는지에 대한 새로운 시각을 제시합니다.
할로겐화납 페로브스카이트는 ABX가 있는 결정질 재료 계열에 속합니다.3 A가 세슘, 메틸암모늄(MA) 또는 포름아미디늄(FA)인 구조; B는 납 또는 주석이고; X는 염소, 브롬 또는 요오드이다. 조정 가능한 밴드갭으로 인해 태양 스펙트럼의 광범위한 파장에서 빛을 흡수할 수 있기 때문에 박막 태양 전지 및 기타 광전자 장치의 유망한 후보입니다. 전하 캐리어(전자 및 정공)도 이를 통해 장거리로 확산됩니다. 이러한 우수한 특성은 페로브스카이트 태양 전지에 18% 이상의 전력 변환 효율을 제공하여 실리콘, 갈륨 비소 및 카드뮴 텔루라이드와 같은 기존 태양 전지 재료와 동등하게 배치합니다.
그러나 연구자들은 왜 전하 캐리어가 페로브스카이트에서 그렇게 잘 이동하는지, 특히 페로브스카이트가 기존의 태양 전지 재료보다 훨씬 더 많은 결함을 포함하고 있기 때문에 정확히 왜 그런지 확신하지 못합니다. 한 가지 가설은 이온 포논 구름 또는 격자 진동으로 둘러싸인 전자로 구성된 복합 입자인 폴라론이 스크린 역할을 하여 전하 캐리어가 결함과 상호 작용하는 것을 방지한다는 것입니다.
전자의 운동 에너지 측정
최신 연구에서는 고체 물리학자가 이끄는 팀 올리버 레이더 의 헬름홀츠-젠트룸 베를린 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)으로 알려진 기술을 사용하여 이 가설을 테스트했습니다. 이 기술은 운동 에너지를 통해 재료의 전자 밴드 구조에 대한 정보를 산출합니다. E= 1 / 2 mv2 전자의 m 는 전자의 질량이고 v 속도입니다. 전자 운동량으로 작성 p=mv, 이 관계는 포물선에 해당합니다. E=(p2)/(2m) 실험에서 직접 측정할 수 있습니다.
만약 폴라론이 전하 수송 중에 실제로 존재한다면, 전자는 폴라론과의 상호작용 덕분에 더 천천히 움직여야 하고 따라서 그들의 유효 질량은 더 높아야 합니다. 전자의 유효 질량이 클수록 포물선의 곡률이 작아집니다. 그러나 팀원이 주도하는 측정 마리암 사제디 결정질 CsPbBr 샘플에서3 포물선 곡률의 예상 감소를 식별하지 못했습니다. Rader는 이론에서는 관련 납 할로겐화물 페로브스카이트에서 유효 질량이 28% 향상될 것으로 예측했지만 경쟁 실험에서는 ARPES 데이터에서 50% 향상을 도출했기 때문에 이는 놀라운 일이라고 말했습니다.
Rader는 이러한 불일치를 요인의 조합으로 돌립니다. 그는 원칙적으로 유효 질량은 측정하기 쉽지만 중요한 주의 사항이 있다고 말합니다. "우리는 결합 에너지 대 운동량에서 포물선을 측정합니다(운동량이 '각도 분해 광전자 방출'의 '각도'에서 직접 오는 경우)."라고 그는 설명합니다. "그러나 XNUMX차원 입체에서 이 포물선은 XNUMX차원 포물면의 절단이며, 우리가 정점에서 절단하지 않으면 잘못된 - 일반적으로 더 높은 - 유효 질량을 얻을 수 있습니다."
Rader는 계속해서 ARPES에서 x 및 y 방향의 운동량은 전자 방출 각도와 관련이 있지만 z 방향의 운동량은 전자를 여기시키는 데 사용되는 광자의 에너지에 의해 결정된다고 설명합니다. BESSY II의 경우 이 광자 에너지는 스펙트럼의 진공 자외선 영역에 있는 파장의 싱크로트론 복사에서 나옵니다. 따라서 실험 작업의 주요 부분은 유효 질량을 결정하기 위해 올바른 광자 에너지를 찾는 것이라고 그는 말했습니다.
저렴하고 안정적인 태양전지를 위한 새로운 솔루션 모색
추가 작업은 폴라론 없이 예상 유효 질량을 계산하는 것이었습니다. Rader는 "우리는 고급 방법을 사용했으며 이전 계산에서 유효 질량이 너무 작다는 것을 예측했음을 발견했습니다."라고 말합니다. "따라서 이 이전 작업의 문제는 절반은 실험적, 절반은 이론적인 측면이었습니다."
신뢰할 수 있는 기술
Rader는 ARPES가 이전에 XNUMX개의 비페로브스카이트 화합물인 TiOXNUMX에 폴라론의 존재로 인한 유효 전자 질량의 향상을 감지했다고 지적합니다.2 및 SrTiO3. 따라서 이러한 유형의 측정에 대해 신뢰할 수 있는 기술이라고 그는 말합니다. "우리의 결론은 우리의 실험 방법이 큰 폴라론의 형성에 대한 징후가 없음을 보여준다는 것입니다."라고 그는 말합니다. "이 결과는 할로겐화납 페로브스카이트의 특성, 가장 중요한 것은 태양 전지 재료로서의 고효율성에 대한 폴라론의 존재와 중요한 역할을 예측하는 이론의 재평가로 이어질 것입니다."
후속 조치로 연구원들은 결정질 CsPbBr 샘플에 대해 유사한 측정을 수행하고 싶다고 말합니다.3 빛을 비추는 동안 그들은 이것이 실험적으로 "도전"될 것으로 기대합니다. 그들은 현재 연구를 보고합니다. 피지컬 리뷰 레터스 (Physical Review Letters).
