Давнее объяснение того, почему из перовскитовых материалов получаются такие хорошие солнечные элементы, было поставлено под сомнение благодаря новым измерениям. Ранее физики приписывали благоприятные оптоэлектронные свойства перовскитов галогенида свинца поведению квазичастиц, называемых поляронами, в кристаллической решетке материала. Теперь, однако, подробные эксперименты в Германии Синхротрон BESSY II показал, что больших поляронов нет. Работа проливает новый свет на то, как перовскиты могут быть оптимизированы для реальных приложений, включая светоизлучающие диоды, полупроводниковые лазеры и детекторы излучения, а также солнечные элементы.
Галогениды свинца перовскиты принадлежат к семейству кристаллических материалов с ABX.3 структура, где А представляет собой цезий, метиламмоний (МА) или формамидиний (ФА); B — свинец или олово; и X представляет собой хлор, бром или йод. Они являются многообещающими кандидатами для тонкопленочных солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств, поскольку их регулируемая ширина запрещенной зоны позволяет им поглощать свет в широком диапазоне длин волн солнечного спектра. Носители заряда (электроны и дырки) также диффундируют через них на большие расстояния. Эти превосходные свойства дают перовскитным солнечным элементам эффективность преобразования энергии более 18%, что ставит их в один ряд с известными материалами для солнечных элементов, такими как кремний, арсенид галлия и теллурид кадмия.
Однако исследователи до сих пор не уверены, почему именно носители заряда так хорошо перемещаются в перовскитах, тем более что перовскиты содержат гораздо больше дефектов, чем известные материалы для солнечных элементов. Одна из гипотез состоит в том, что поляроны — составные частицы, состоящие из электрона, окруженного облаком ионных фононов или колебаний решетки, — действуют как экраны, предотвращая взаимодействие носителей заряда с дефектами.
Измерение кинетической энергии электронов
В последней работе группа под руководством физика твердого тела Оливер Рейдер Гельмгольц-Центр Берлин проверили эту гипотезу, используя метод, известный как фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). Этот метод дает информацию об электронной зонной структуре материала через кинетическую энергию. E= 1 / 2 mv2 его электронов, где m масса электрона и v это его скорость. Записано в терминах импульса электрона p=mv, это соотношение соответствует параболе E=(p2) / (2m), которые могут быть непосредственно измерены в эксперименте.
Если поляроны действительно присутствуют во время переноса заряда, электроны должны двигаться медленнее — и, следовательно, их эффективная масса должна быть выше — благодаря взаимодействиям с поляронами. Чем больше эффективная масса электрона, тем меньше кривизна параболы. Однако измерения под руководством члена группы Марьям Саджеди на образцах кристаллического CsPbBr3 не удалось определить ожидаемое уменьшение кривизны параболы. Это стало неожиданностью, говорит Рейдер, потому что теория предсказала увеличение эффективной массы на 28% в родственном перовските галогенида свинца, в то время как конкурирующий эксперимент показал увеличение на 50% по данным ARPES.
Рейдер объясняет это несоответствие комбинацией факторов. В принципе, говорит он, эффективную массу измерить просто, но есть важная оговорка. «Мы измеряем параболу зависимости энергии связи от импульса (где импульс исходит непосредственно от «угла» в «фотоэмиссии с угловым разрешением»)», — объясняет он. «Однако в трехмерном твердом теле эта парабола является разрезом трехмерного параболоида, и если мы не разрезаем ее на вершине, мы можем получить неправильную — обычно более высокую — эффективную массу».
Далее Рейдер объясняет, что в ARPES импульс в направлениях x и y связан с углом вылета электрона, а импульс в направлении z определяется энергией фотонов, используемых для возбуждения электронов. В случае BESSY II эта фотонная энергия исходит от синхротронного излучения с длинами волн в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра. По его словам, основная часть экспериментальной работы заключалась в том, чтобы найти правильную энергию фотона для определения эффективной массы.
В поисках новых решений для дешевых и стабильных солнечных батарей
Следующей задачей было вычислить ожидаемую эффективную массу без поляронов. «Мы использовали передовой метод и обнаружили, что предыдущие расчеты предсказывали слишком маленькую эффективную массу», — говорит Рейдер. «Поэтому проблема с этой предыдущей работой была наполовину экспериментальной, а наполовину теоретической».
Надежная техника
Рейдер отмечает, что ARPES ранее обнаружил увеличение эффективной массы электрона из-за присутствия поляронов в двух неперовскитовых соединениях, TiO2 и SrTiO3. Поэтому, по его словам, это надежный метод для такого типа измерений. «Мы пришли к выводу, что наш экспериментальный метод показывает, что нет никаких признаков образования больших поляронов», — говорит он. «Этот результат должен привести к переоценке теорий, которые предсказывают наличие и важную роль поляронов в свойствах перовскитов на основе галогенидов свинца, и, что наиболее важно, их высокую эффективность в качестве материала для солнечных элементов».
В качестве продолжения исследователи говорят, что хотели бы провести аналогичные измерения на образце кристаллического CsPbBr.3 проливая свет на это, но они ожидают, что это будет «сложно» экспериментально. Они сообщают о своем настоящем исследовании в Physical Review Letters,.
