O explicație de lungă durată a motivului pentru care materialele perovskite produc celule solare atât de bune a fost pusă la îndoială datorită noilor măsurători. Anterior, fizicienii au atribuit proprietățile optoelectronice favorabile ale perovskiților cu halogenură de plumb comportamentului cvasiparticulelor numite polaroni din rețeaua cristalină a materialului. Acum, însă, experimente detaliate la Germania Sincrotron BESSY II a dezvăluit că nu sunt prezenți polaroni mari. Lucrarea aruncă o lumină nouă asupra modului în care perovskiții pot fi optimizați pentru aplicații din lumea reală, inclusiv diode emițătoare de lumină, lasere semiconductoare și detectoare de radiații, precum și celule solare.
Perovskiții cu halogenură de plumb aparțin unei familii de materiale cristaline cu un ABX3 structura, unde A este cesiu, metilamoniu (MA) sau formamidiniu (FA); B este plumb sau staniu; iar X este clor, brom sau iod. Aceștia sunt candidați promițători pentru celule solare cu peliculă subțire și alte dispozitive optoelectronice, deoarece banda interzisă reglabilă le permite să absoarbă lumina pe o gamă largă de lungimi de undă din spectrul solar. Purtătorii de sarcină (electroni și găuri) difuzează și ei prin ei pe distanțe lungi. Aceste proprietăți excelente conferă celulelor solare perovskite o eficiență de conversie a puterii de peste 18%, plasându-le la egalitate cu materialele consacrate pentru celule solare, cum ar fi siliciul, arseniura de galiu și telurura de cadmiu.
Cercetătorii sunt încă nesiguri, totuși, de ce purtătorii de sarcină călătoresc atât de bine în perovskiți, mai ales că perovskiții conțin mult mai multe defecte decât materialele stabilite pentru celule solare. O ipoteză este că polaronii - particule compozite alcătuite dintr-un electron înconjurat de un nor de fononi ionici sau vibrații de rețea - acționează ca ecrane, împiedicând purtătorii de sarcină să interacționeze cu defectele.
Măsurarea energiei cinetice a electronilor
În cea mai recentă lucrare, o echipă condusă de un fizician în stare solidă Oliver Rader a Helmholtz-Zentrum Berlin a testat această ipoteză folosind o tehnică cunoscută sub numele de spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție în unghi (ARPES). Această tehnică furnizează informații despre structura benzii electronice a unui material prin intermediul energiei cinetice E= 1 / 2 mv2 a electronilor săi, unde m este masa electronului și v este viteza sa. Scris în termeni de impuls al electronilor p=mv, această relație corespunde unei parabole E=(p2)/(2m) care pot fi măsurate direct în experiment.
Dacă polaronii sunt într-adevăr prezenți în timpul transportului de sarcină, electronii ar trebui să se miște mai lent - și astfel masa lor efectivă ar trebui să fie mai mare - datorită interacțiunilor cu polaronii. Cu cât masa efectivă a electronului este mai mare, cu atât curbura parabolei este mai mică. Cu toate acestea, măsurători conduse de un membru al echipei Maryam Sajedi pe probe de CsPbBr cristalin3 nu a reușit să identifice reducerea așteptată a curburii parabolei. Aceasta a fost o surpriză, spune Rader, deoarece teoria a prezis o creștere a masei efective cu 28% într-un perovskit înrudit cu halogenură de plumb, în timp ce un experiment concurent a derivat o îmbunătățire de 50% din datele ARPES.
Rader atribuie discrepanța unei combinații de factori. În principiu, spune el, masa efectivă este ușor de măsurat, dar există o avertizare importantă. „Măsurăm o parabolă în energia de legare în raport cu impulsul (unde impulsul provine direct din „unghi” din „fotoemisia unghiulară rezolvată”)”, explică el. „Cu toate acestea, într-un solid tridimensional, această parabolă este o tăietură a unui paraboloid tridimensional și, dacă nu o tăiem la vârful său, putem obține o masă efectivă greșită – de obicei mai mare.”
Rader continuă să explice că în ARPES, impulsul în direcțiile x și y este legat de unghiul de emisie de electroni, dar impulsul în direcția z este determinat de energia fotonilor folosiți pentru a excita electronii. În cazul lui BESSY II, această energie fotonică provine din radiația sincrotron la lungimi de undă din regiunea ultravioletă de vid a spectrului. Partea principală a lucrării experimentale a fost, prin urmare, găsirea energiei fotonice corecte pentru a determina masa efectivă, spune el.
În căutarea de noi soluții pentru celule solare ieftine și stabile
O altă sarcină a fost să se calculeze masa efectivă așteptată fără polaroni. „Am folosit o metodă avansată și am constatat că calculele anterioare au prezis o masă efectivă prea mică”, spune Rader. „Problema cu această lucrare anterioară a fost, prin urmare, jumătate din partea experimentală și jumătate din partea teoretică.”
O tehnică de încredere
Rader observă că ARPES a detectat anterior o îmbunătățire a masei efective a electronilor datorită prezenței polaronilor în doi compuși non-perovskiți, TiO2 și SrTiO3. Prin urmare, este o tehnică de încredere pentru acest tip de măsurare, spune el. „Concluzia noastră este că metoda noastră experimentală arată că nu există nicio indicație pentru formarea de polaroni mari”, spune el. „Acest rezultat ar trebui să conducă la o reevaluare a teoriilor care prezic prezența și un rol important al polaronilor pentru proprietățile perovskiților cu halogenură de plumb, cel mai important eficiența lor ridicată ca material pentru celule solare.”
Ca urmare, cercetătorii spun că ar dori să efectueze măsurători similare pe o probă de CsPbBr cristalin.3 în timp ce luminează asupra lui, dar se așteaptă ca acest lucru să fie „provocator” experimental. Ei raportează cercetarea lor actuală în Scrisori de recenzie fizică.
