Dolgoletna razlaga, zakaj so perovskitni materiali tako dobre sončne celice, je bila zaradi novih meritev postavljena pod vprašaj. Prej so fiziki ugodne optoelektronske lastnosti svinčevih halogenidnih perovskitov pripisovali obnašanju kvazidelcev, imenovanih polaroni, znotraj kristalne mreže materiala. Zdaj pa podrobni poskusi v Nemčiji BESSY II sinhrotron pokazala, da ni prisotnih velikih polaronov. Delo osvetljuje, kako je mogoče perovskite optimizirati za aplikacije v resničnem svetu, vključno s svetlečimi diodami, polprevodniškimi laserji in detektorji sevanja ter sončnimi celicami.
Svinčev halid perovskiti spadajo v družino kristalnih materialov z ABX3 struktura, kjer je A cezij, metilamonij (MA) ali formamidinij (FA); B je svinec ali kositer; in X je klor, brom ali jod. So obetavni kandidati za tankoplastne sončne celice in druge optoelektronske naprave, ker jim nastavljivi pasovi omogočajo absorbiranje svetlobe v širokem razponu valovnih dolžin v sončnem spektru. Preko njih na velike razdalje difundirajo tudi nosilci naboja (elektroni in luknje). Te odlične lastnosti dajejo perovskitnim sončnim celicam več kot 18-odstotno učinkovitost pretvorbe energije, s čimer so primerljive z uveljavljenimi materiali sončnih celic, kot so silicij, galijev arzenid in kadmijev telurid.
Raziskovalci pa še vedno niso prepričani, zakaj natanko nosilci naboja potujejo tako dobro v perovskitih, zlasti ker perovskiti vsebujejo veliko več napak kot uveljavljeni materiali sončnih celic. Ena od hipotez je, da polaroni – sestavljeni delci, sestavljeni iz elektrona, obdanega z oblakom ionskih fononov ali mrežnih vibracij – delujejo kot zasloni, ki preprečujejo medsebojno delovanje nosilcev naboja z napakami.
Merjenje kinetične energije elektronov
V zadnjem delu je ekipa, ki jo vodi fizik trdne snovi Oliver Rader od Helmholtz-Zentrum Berlin je to hipotezo preizkusil s tehniko, znano kot fotoemisijska spektroskopija z ločljivostjo kota (ARPES). Ta tehnika daje informacije o strukturi elektronskega pasu materiala prek kinetične energije E= 1/2 mv2 njegovih elektronov, kjer m je masa elektrona in v je njegova hitrost. Zapisano z gibalno količino elektrona p=mv, ta relacija ustreza paraboli E=(p2)/(2m), ki jih je mogoče neposredno izmeriti v poskusu.
Če so polaroni res prisotni med transportom naboja, bi se morali elektroni premikati počasneje – in zato bi morala biti njihova efektivna masa večja – zaradi interakcij s polaroni. Večja kot je efektivna masa elektrona, manjša je ukrivljenost parabole. Vendar meritve vodi član ekipe Maryam Sajedi na vzorcih kristalnega CsPbBr3 ni uspelo ugotoviti pričakovanega zmanjšanja ukrivljenosti parabole. Rader pravi, da je bilo to presenečenje, ker je teorija predvidevala povečanje efektivne mase za 28 % v sorodnem svinčevem halogenidu perovskitu, medtem ko je konkurenčni poskus iz podatkov ARPES izpeljal povečanje za 50 %.
Rader pripisuje neskladje kombinaciji dejavnikov. Načeloma pravi, da je učinkovito maso enostavno izmeriti, vendar obstaja pomembno opozorilo. »Parabolo merimo v vezavni energiji glede na zagon (kjer zagon prihaja neposredno iz 'kota' v 'fotoemisiji z ločljivostjo kota'),” pojasnjuje. "Vendar pa je v tridimenzionalnem trdnem telesu ta parabola izrez tridimenzionalnega paraboloida in če je ne odrežemo na vrhu, lahko dobimo napačno - običajno večjo - efektivno maso."
Rader nadaljuje z razlago, da je v ARPES zagon v smeri x in y povezan s kotom emisije elektronov, vendar je zagon v smeri z določen z energijo fotonov, ki se uporabljajo za vzbujanje elektronov. V primeru BESSY II ta fotonska energija izvira iz sinhrotronskega sevanja pri valovnih dolžinah v vakuumskem ultravijoličnem območju spektra. Glavni del eksperimentalnega dela je bil torej iskanje pravilne energije fotona za določitev efektivne mase, pravi.
V iskanju novih rešitev za poceni in stabilne sončne celice
Nadaljnja naloga je bila izračunati pričakovano efektivno maso brez polaronov. "Uporabili smo napredno metodo in ugotovili, da prejšnji izračuni predvidevajo premajhno efektivno maso," pravi Rader. "Težava s tem prejšnjim delom je bila torej polovica na eksperimentalni in polovica na teoretični strani."
Zanesljiva tehnika
Rader ugotavlja, da je ARPES predhodno zaznal povečanje efektivne elektronske mase zaradi prisotnosti polaronov v dveh neperovskitnih spojinah, TiO2 in SrTiO3. Zato je to zanesljiva tehnika za tovrstne meritve, pravi. "Naš zaključek je, da naša eksperimentalna metoda kaže, da ni znakov za nastanek velikih polaronov, " pravi. "Ta rezultat bi moral privesti do ponovne ocene teorij, ki napovedujejo prisotnost in pomembno vlogo polaronov za lastnosti svinčevih halogenidov perovskitov, kar je najpomembneje njihova visoka učinkovitost kot materiala sončnih celic."
Kot nadaljevanje raziskovalci pravijo, da bi radi izvedli podobne meritve na vzorcu kristalnega CsPbBr3 medtem ko ga osvetljujejo, vendar pričakujejo, da bo to eksperimentalno "izziv". O svojih trenutnih raziskavah poročajo v Pisni pregledi fizike.
