En langvarig forklaring på hvorfor perovskittmaterialer lager så gode solceller har blitt sådd i tvil takket være nye målinger. Tidligere tilskrev fysikere de gunstige optoelektroniske egenskapene til blyhalogenidperovskitter til oppførselen til kvasipartikler kalt polaroner i materialets krystallgitter. Nå derimot, detaljerte eksperimenter hos Tyskland BESSY II synkrotron avslørte at ingen store polaroner er tilstede. Arbeidet kaster nytt lys over hvordan perovskitter kan optimaliseres for virkelige applikasjoner, inkludert lysdioder, halvlederlasere og strålingsdetektorer samt solceller.
Blyhalogenidperovskitter tilhører en familie av krystallinske materialer med ABX3 struktur, hvor A er cesium, metylammonium (MA) eller formamidinium (FA); B er bly eller tinn; og X er klor, brom eller jod. De er lovende kandidater for tynnfilmsolceller og andre optoelektroniske enheter fordi deres justerbare båndgap gjør dem i stand til å absorbere lys over et bredt spekter av bølgelengder i solspekteret. Ladningsbærere (elektroner og hull) diffunderer også gjennom dem over lange avstander. Disse utmerkede egenskapene gir perovskitt-solceller en kraftkonverteringseffektivitet på mer enn 18 %, og plasserer dem på nivå med etablerte solcellematerialer som silisium, galliumarsenid og kadmiumtellurid.
Forskere er imidlertid fortsatt usikre på nøyaktig hvorfor ladningsbærere reiser så godt i perovskitter, spesielt siden perovskitter inneholder langt flere defekter enn etablerte solcellematerialer. En hypotese er at polaroner – sammensatte partikler som består av et elektron omgitt av en sky av ioniske fononer, eller gittervibrasjoner – fungerer som skjermer og hindrer ladningsbærere i å samhandle med defektene.
Måler den kinetiske energien til elektroner
I det siste arbeidet, et team ledet av solid-state fysiker Oliver Rader av Helmholtz-Zentrum Berlin testet denne hypotesen ved å bruke en teknikk kjent som vinkeloppløst fotoemisjonsspektroskopi (ARPES). Denne teknikken gir informasjon om et materiales elektroniske båndstruktur via den kinetiske energien E= Trettiendedeler mv2 av elektronene, hvor m er elektronets masse og v er dens hastighet. Skrevet i form av elektronmomentum p=mv, tilsvarer denne relasjonen en parabel E=(p2)/(2m) som kan måles direkte i eksperimentet.
Hvis polaroner faktisk er tilstede under ladningstransport, bør elektronene bevege seg saktere – og dermed deres effektive masse bør være høyere – takket være interaksjoner med polaronene. Jo større elektronets effektive masse, jo mindre krumning av parablen. Men målinger ledet av teammedlem Maryam Sajedi på prøver av krystallinsk CsPbBr3 klarte ikke å identifisere den forventede reduksjonen i parabelens krumning. Dette var en overraskelse, sier Rader, fordi teorien spådde en forbedring av den effektive massen med 28 % i en relatert blyhalogenidperovskitt, mens et konkurrerende eksperiment avledet en forbedring på 50 % fra ARPES-data.
Rader tilskriver avviket til en kombinasjon av faktorer. I prinsippet, sier han, er den effektive massen enkel å måle, men det er et viktig forbehold. "Vi måler en parabel i bindingsenergien kontra momentum (der momentumet kommer direkte fra "vinkelen" i "vinkeloppløst fotoemisjon")," forklarer han. "I et tredimensjonalt fast legeme er imidlertid denne parabelen et kutt av en tredimensjonal paraboloid, og hvis vi ikke kutter den på toppen, kan vi oppnå feil – vanligvis høyere – effektive masse."
Rader fortsetter med å forklare at i ARPES er momentumet i x- og y-retningene relatert til elektronemisjonsvinkelen, men momentumet i z-retningen bestemmes av energien til fotonene som brukes til å eksitere elektronene. I BESSY IIs tilfelle kommer denne fotonenergien fra synkrotronstråling ved bølgelengder i det vakuum ultrafiolette området av spekteret. Hoveddelen av det eksperimentelle arbeidet var derfor å finne riktig fotonenergi for å bestemme den effektive massen, sier han.
På jakt etter nye løsninger for billige og stabile solceller
En ytterligere oppgave var å beregne den forventede effektive massen uten polaroner. "Vi brukte en avansert metode og fant at tidligere beregninger spådde en for liten effektiv masse," sier Rader. "Problemet med dette forrige arbeidet var derfor halvparten på den eksperimentelle og halvparten på den teoretiske siden."
En pålitelig teknikk
Rader bemerker at ARPES tidligere har oppdaget en forbedring i den effektive elektronmassen på grunn av tilstedeværelsen av polaroner i to ikke-perovskittforbindelser, TiO2 og SrTiO3. Det er derfor en pålitelig teknikk for denne typen målinger, sier han. "Vår konklusjon er at vår eksperimentelle metode viser at det ikke er noen indikasjon for dannelse av store polaroner," sier han. "Dette resultatet bør føre til en revurdering av teoriene som forutsier tilstedeværelsen og en viktig rolle til polaroner for egenskapene til blyhalogenidperovskitter, viktigst av alt deres høye effektivitet som solcellemateriale."
Som en oppfølging sier forskerne at de ønsker å utføre lignende målinger på en prøve av krystallinsk CsPbBr3 mens de skinner lys på det, men de forventer at dette skal være "utfordrende" eksperimentelt. De rapporterer sin nåværende forskning i Physical Review Letters.
