Od dawna wyjaśnione, dlaczego materiały perowskitowe tworzą tak dobre ogniwa słoneczne, zostało zakwestionowane dzięki nowym pomiarom. Wcześniej fizycy przypisywali korzystne właściwości optoelektroniczne perowskitów z halogenku ołowiu zachowaniu quasicząstek zwanych polaronami w sieci krystalicznej materiału. Teraz jednak szczegółowe eksperymenty w Niemczech Synchrotron BESSY II ujawnili, że nie ma dużych polaronów. Prace rzucają nowe światło na to, jak perowskity można zoptymalizować pod kątem rzeczywistych zastosowań, w tym diod elektroluminescencyjnych, laserów półprzewodnikowych i detektorów promieniowania, a także ogniw słonecznych.
Perowskity z halogenkiem ołowiu należą do rodziny materiałów krystalicznych z ABX3 struktura, gdzie A oznacza cez, metyloamon (MA) lub formamidyn (FA); B oznacza ołów lub cynę; a X oznacza chlor, brom lub jod. Są obiecującymi kandydatami na cienkowarstwowe ogniwa słoneczne i inne urządzenia optoelektroniczne, ponieważ ich dostrajalne przerwy wzbronione umożliwiają im pochłanianie światła w szerokim zakresie długości fal w widmie słonecznym. Nośniki ładunku (elektrony i dziury) również dyfundują przez nie na duże odległości. Te doskonałe właściwości zapewniają perowskitowym ogniwom słonecznym sprawność konwersji energii na poziomie ponad 18%, co stawia je na równi z uznanymi materiałami do ogniw słonecznych, takimi jak krzem, arsenek galu i tellurek kadmu.
Naukowcy wciąż nie są jednak pewni, dlaczego nośniki ładunku przemieszczają się tak dobrze w perowskitach, zwłaszcza że perowskity zawierają znacznie więcej defektów niż ustalone materiały ogniw słonecznych. Jedna z hipotez głosi, że polarony – cząstki kompozytowe składające się z elektronu otoczonego chmurą fononów jonowych lub wibracji sieci – działają jak ekrany, zapobiegając interakcji nośników ładunku z defektami.
Pomiar energii kinetycznej elektronów
W najnowszej pracy zespół kierowany przez fizyka ciała stałego Olivera Radera ukończenia Helmholtz-Zentrum w Berlinie przetestowali tę hipotezę przy użyciu techniki znanej jako kątowa spektroskopia fotoemisyjna (ARPES). Ta technika dostarcza informacji o elektronowej strukturze pasmowej materiału za pomocą energii kinetycznej E= 1 / 2 mv2 jego elektronów, gdzie m jest masą elektronu i v jest jego prędkość. Zapisane w postaci pędu elektronu p=mv, ta relacja odpowiada paraboli E=(p2)/(2m), które można bezpośrednio zmierzyć w eksperymencie.
Jeśli polarony rzeczywiście są obecne podczas transportu ładunku, elektrony powinny poruszać się wolniej – a tym samym ich masa efektywna powinna być wyższa – dzięki oddziaływaniom z polaronami. Im większa masa efektywna elektronu, tym mniejsza krzywizna paraboli. Jednak pomiary prowadzone przez członka zespołu Maryam Sajedi na próbkach krystalicznego CsPbBr3 nie udało się zidentyfikować oczekiwanego zmniejszenia krzywizny paraboli. To była niespodzianka, mówi Rader, ponieważ teoria przewidywała zwiększenie masy efektywnej o 28% w powiązanym perowskicie z halogenkiem ołowiu, podczas gdy konkurencyjny eksperyment wykazał wzmocnienie o 50% na podstawie danych ARPES.
Rader przypisuje rozbieżność kombinacji czynników. Mówi, że w zasadzie masa efektywna jest łatwa do zmierzenia, ale jest ważne zastrzeżenie. „Mierzymy parabolę w energii wiązania w funkcji pędu (gdzie pęd pochodzi bezpośrednio z „kąta” w „fotoemisji z rozdzielczością kątową”)”, wyjaśnia. „Jednak w trójwymiarowej bryle ta parabola jest cięciem trójwymiarowej paraboloidy i jeśli nie przetniemy jej w jej wierzchołku, możemy uzyskać niewłaściwą – zwykle wyższą – masę efektywną.”
Rader wyjaśnia dalej, że w ARPES pęd w kierunkach x i y jest powiązany z kątem emisji elektronów, ale pęd w kierunku z jest określany przez energię fotonów użytych do wzbudzenia elektronów. W przypadku BESSY II ta energia fotonów pochodzi z promieniowania synchrotronowego o długościach fal w próżni ultrafioletowym obszarze widma. Główną częścią pracy eksperymentalnej było zatem znalezienie właściwej energii fotonu do określenia masy efektywnej – mówi.
W poszukiwaniu nowych rozwiązań tanich i stabilnych ogniw słonecznych
Kolejnym zadaniem było obliczenie oczekiwanej masy efektywnej bez polaronów. „Zastosowaliśmy zaawansowaną metodę i stwierdziliśmy, że poprzednie obliczenia przewidywały zbyt małą masę efektywną” – mówi Rader. „Problem z tą poprzednią pracą był zatem w połowie po stronie eksperymentalnej, a w połowie po stronie teoretycznej”.
Niezawodna technika
Rader zauważa, że ARPES wcześniej wykrył wzmocnienie efektywnej masy elektronu spowodowane obecnością polaronów w dwóch związkach nieperowskitowych, TiO2 i SrTiO3. Dlatego jest to niezawodna technika dla tego typu pomiarów, mówi. „Nasz wniosek jest taki, że nasza metoda eksperymentalna pokazuje, że nic nie wskazuje na tworzenie się dużych polaronów” – mówi. „Wynik ten powinien prowadzić do ponownej oceny teorii, które przewidują obecność i ważną rolę polaronów we właściwościach perowskitów z halogenkiem ołowiu, a przede wszystkim ich wysokiej wydajności jako materiału do ogniw słonecznych”.
W ramach kontynuacji naukowcy twierdzą, że chcieliby wykonać podobne pomiary na próbce krystalicznego CsPbBr3 świecąc na niego światłem, ale spodziewają się, że będzie to „wyzwanie” eksperymentalnie. Relacjonują swoje obecne badania w: Physical Review Letters.
