ความลึกลับในการขนย้ายประจุเพิ่มพูนขึ้นในวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีแนวโน้มว่าจะมีอนาคต

คำอธิบายที่มีมาอย่างยาวนานว่าเหตุใดวัสดุ perovskite จึงสร้างเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีเช่นนั้นจึงกลายเป็นข้อกังขาเนื่องจากการวัดใหม่ ก่อนหน้านี้ นักฟิสิกส์กำหนดคุณสมบัติ optoelectronic ที่ดีของ lead halide perovskites ต่อพฤติกรรมของ quasiparticles ที่เรียกว่าโพลารอนภายในตาข่ายคริสตัลของวัสดุ อย่างไรก็ตาม ตอนนี้ รายละเอียดการทดลองที่ . ของเยอรมนี BESSY II ซินโครตรอน เปิดเผยว่าไม่มีโพลารอนขนาดใหญ่อยู่ งานนี้เผยให้เห็นว่า Perovskites สามารถปรับให้เหมาะกับการใช้งานจริงได้อย่างไร ซึ่งรวมถึงไดโอดเปล่งแสง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เครื่องตรวจจับรังสี ตลอดจนเซลล์แสงอาทิตย์

ลีดเฮไลด์เพอรอฟสไคต์อยู่ในตระกูลวัสดุผลึกที่มี ABX₃ โครงสร้าง โดยที่ A คือซีเซียม เมทิลแอมโมเนียม (MA) หรือฟอร์มามิดิเนียม (FA) B เป็นตะกั่วหรือดีบุก และ X คือคลอรีน โบรมีนหรือไอโอดีน พวกเขามีแนวโน้มว่าจะเป็นตัวเลือกสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบางและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เนื่องจากแถบความถี่ที่ปรับได้ช่วยให้สามารถดูดซับแสงในช่วงความยาวคลื่นกว้าง ๆ ในสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ ตัวพาประจุ (อิเล็กตรอนและรู) ก็กระจายผ่านพวกมันในระยะทางไกลเช่นกัน คุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมเหล่านี้ทำให้เซลล์แสงอาทิตย์ของ Perovskite มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานมากกว่า 18% โดยวางให้อยู่ในระดับเดียวกับวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอยู่ เช่น ซิลิกอน แกลเลียม อาร์เซไนด์ และแคดเมียม เทลลูไรด์

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงไม่มั่นใจว่าทำไมผู้ให้บริการชาร์จจึงเดินทางได้ดีใน perovskites โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจาก perovskites มีข้อบกพร่องมากกว่าวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างขึ้น สมมติฐานหนึ่งคือ โพลารอน ซึ่งเป็นอนุภาคประกอบที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบด้วยกลุ่มเมฆของไอออนไอออนิก หรือการสั่นของโครงตาข่าย ทำหน้าที่เป็นหน้าจอ ป้องกันไม่ให้ตัวพาประจุมีปฏิสัมพันธ์กับข้อบกพร่อง

การวัดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน

ในงานล่าสุด ทีมงานนำโดยนักฟิสิกส์โซลิดสเตต โอลิเวอร์ เรเดอร์ ของ เฮล์มโฮลทซ์-เซนทรัม เบอร์ลิน ทดสอบสมมติฐานนี้โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) เทคนิคนี้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างแถบอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุผ่านพลังงานจลน์ E= 1/2 mv² ของอิเล็กตรอน โดยที่ m คือมวลของอิเล็กตรอนและ v คือความเร็วของมัน เขียนในรูปของโมเมนตัมอิเล็กตรอน p=mvความสัมพันธ์นี้สอดคล้องกับพาราโบลา E=(p²)/(2m) ที่สามารถวัดได้โดยตรงในการทดลอง

หากมีโพลารอนปรากฏอยู่ในระหว่างการเคลื่อนย้ายประจุ อิเล็กตรอนควรเคลื่อนที่ช้าลง ดังนั้นมวลที่มีประสิทธิภาพของพวกมันจึงควรจะสูงขึ้น เนื่องจากมีอันตรกิริยากับโพลารอน ยิ่งมวลที่มีประสิทธิภาพของอิเล็กตรอนมากเท่าใด ความโค้งของพาราโบลาก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น อย่างไรก็ตามการวัดนำโดยสมาชิกในทีม มาเรียม ซาเจดี บนตัวอย่างผลึก CsPbBr₃ ไม่สามารถระบุการลดลงที่คาดไว้ในความโค้งของพาราโบลา Rader กล่าวว่าเป็นเรื่องน่าประหลาดใจ เนื่องจากทฤษฎีคาดการณ์การเพิ่มประสิทธิภาพของมวลที่มีประสิทธิภาพ 28% ใน perovskite ลีดเฮไลด์ที่เกี่ยวข้อง ในขณะที่การทดลองที่แข่งขันกันได้รับการปรับปรุง 50% จากข้อมูล ARPES

Rader ระบุความคลาดเคลื่อนจากปัจจัยหลายอย่างรวมกัน โดยหลักการแล้ว เขากล่าวว่า มวลที่มีประสิทธิภาพนั้นวัดได้ง่าย แต่มีข้อแม้ที่สำคัญ “เราวัดพลังงานยึดเกาะกับโมเมนตัมของพาราโบลา (โดยที่โมเมนตัมมาจาก 'มุม' โดยตรงใน 'การเปล่งแสงแบบหักมุม')" เขาอธิบาย “อย่างไรก็ตาม ในทรงทึบสามมิติ พาราโบลานี้เป็นการตัดพาราโบลาสามมิติ และหากเราไม่ตัดที่ปลายยอด เราอาจได้มวลที่มีประสิทธิภาพที่ผิด ซึ่งมักจะสูงกว่า”

Rader อธิบายต่อไปว่าใน ARPES โมเมนตัมในทิศทาง x และ y สัมพันธ์กับมุมการปล่อยอิเล็กตรอน แต่โมเมนตัมในทิศทาง z ถูกกำหนดโดยพลังงานของโฟตอนที่ใช้ในการกระตุ้นอิเล็กตรอน ในกรณีของ BESSY II พลังงานโฟตอนนี้มาจากการแผ่รังสีซินโครตรอนที่ความยาวคลื่นในบริเวณอัลตราไวโอเลตสุญญากาศของสเปกตรัม ส่วนหลักของงานทดลองคือการค้นหาพลังงานโฟตอนที่ถูกต้องเพื่อกำหนดมวลที่มีประสิทธิภาพ เขากล่าว

งานต่อไปคือการคำนวณมวลที่มีประสิทธิภาพที่คาดไว้โดยไม่มีโพลารอน "เราใช้วิธีการขั้นสูงและพบว่าการคำนวณก่อนหน้านี้ทำนายมวลที่มีประสิทธิภาพน้อยเกินไป" Rader กล่าว “ปัญหาของงานก่อนหน้านี้จึงเป็นครึ่งหนึ่งของการทดลองและอีกครึ่งหนึ่งเป็นเรื่องของทฤษฎี”

เทคนิคที่เชื่อถือได้

Rader ตั้งข้อสังเกตว่าก่อนหน้านี้ ARPES ตรวจพบการเพิ่มประสิทธิภาพในมวลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพเนื่องจากการมีอยู่ของโพลารอนในสารประกอบที่ไม่ใช่เพอรอฟสไคต์ XNUMX ชนิด คือ TiO₂ และ SrTiO₃. ดังนั้นจึงเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้สำหรับการวัดประเภทนี้ เขากล่าว "ข้อสรุปของเราคือวิธีการทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าไม่มีข้อบ่งชี้สำหรับการก่อตัวของโพลารอนขนาดใหญ่" เขากล่าว "ผลลัพธ์นี้ควรนำไปสู่การประเมินทฤษฎีที่คาดการณ์การมีอยู่และบทบาทที่สำคัญของโพลารอนสำหรับคุณสมบัติของลีดเฮไลด์เพอรอฟสเกต ที่สำคัญที่สุดคือมีประสิทธิภาพสูงในฐานะวัสดุเซลล์แสงอาทิตย์"

ในการติดตามผล นักวิจัยกล่าวว่าพวกเขาต้องการที่จะทำการวัดที่คล้ายกันกับตัวอย่างผลึก CsPbBr₃ ในขณะที่ฉายแสงไปที่มัน แต่พวกเขาคาดหวังว่าสิ่งนี้จะ "ท้าทาย" ในการทดลอง พวกเขารายงานการวิจัยปัจจุบันของพวกเขาใน จดหมายทางกายภาพความคิดเห็น.