Perovskit malzemelerin neden bu kadar iyi güneş pilleri ürettiğine dair uzun süredir devam eden bir açıklama, yeni ölçümler sayesinde şüpheye düştü. Daha önce fizikçiler, kurşun halojenür perovskitlerin olumlu optoelektronik özelliklerini, malzemenin kristal kafesi içindeki polaron adı verilen yarı parçacıkların davranışına atfetmişlerdi. Ancak şimdi Almanya'daki ayrıntılı deneyler BESSY II senkrotron büyük polaronların bulunmadığını ortaya çıkardı. Çalışma, perovskitlerin, ışık yayan diyotlar, yarı iletken lazerler ve radyasyon dedektörlerinin yanı sıra güneş pilleri de dahil olmak üzere gerçek dünya uygulamaları için nasıl optimize edilebileceğine yeni bir ışık tutuyor.
Kurşun halojenür perovskitler ABX'e sahip bir kristal malzeme ailesine aittir.3 A'nın sezyum, metilamonyum (MA) veya formamidinyum (FA) olduğu yapı; B kurşun veya kalaydır; ve X klor, brom veya iyottur. İnce film güneş pilleri ve diğer optoelektronik cihazlar için umut verici adaylardır çünkü ayarlanabilir bant aralıkları, güneş spektrumunda geniş bir dalga boyu aralığında ışığı absorbe etmelerine olanak tanır. Yük taşıyıcıları (elektronlar ve delikler) de uzun mesafelerde bunların içinden yayılır. Bu mükemmel özellikler, perovskit güneş pillerine %18'den fazla güç dönüşüm verimliliği sağlar ve onları silikon, galyum arsenit ve kadmiyum tellür gibi yerleşik güneş pili malzemeleriyle aynı seviyeye getirir.
Ancak araştırmacılar, özellikle perovskitlerin yerleşik güneş pili malzemelerinden çok daha fazla kusur içermesi nedeniyle, yük taşıyıcılarının perovskitlerde neden bu kadar iyi seyahat ettiğini tam olarak bilmiyorlar. Bir hipoteze göre polaronlar (iyonik fonon bulutu veya kafes titreşimleri ile çevrelenmiş bir elektrondan oluşan kompozit parçacıklar) ekran görevi görerek yük taşıyıcılarının kusurlarla etkileşime girmesini önler.
Elektronların kinetik enerjisinin ölçülmesi
Son çalışmada, katı hal fizikçisi liderliğindeki bir ekip Oliver Rader arasında Helmholtz-Zentrum Berlin bu hipotezi açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisi (ARPES) olarak bilinen bir teknik kullanarak test etti. Bu teknik, kinetik enerji aracılığıyla bir malzemenin elektronik bant yapısı hakkında bilgi verir. E= 1 / 2 mv2 elektronlarının bulunduğu yer m elektronun kütlesidir ve v onun hızıdır. Elektron momentumu cinsinden yazılmıştır p=mv, bu ilişki bir parabole karşılık gelir E=(p2) / (2m) deneyde doğrudan ölçülebilir.
Yük aktarımı sırasında gerçekten polaronlar mevcutsa, polaronlarla etkileşimler sayesinde elektronlar daha yavaş hareket etmeli ve dolayısıyla etkin kütleleri daha yüksek olmalıdır. Elektronun etkin kütlesi ne kadar büyük olursa parabolün eğriliği de o kadar küçük olur. Ancak ekip üyesi tarafından yürütülen ölçümler Meryem Sajedi kristal CsPbBr örnekleri üzerinde3 parabolün eğriliğinde beklenen azalmayı tespit edemedi. Rader, bunun bir sürpriz olduğunu söylüyor çünkü teori, ilgili kurşun halojenür perovskitin etkin kütlesinde %28'lik bir artış öngörürken, rakip bir deney ARPES verilerinden %50'lik bir artış elde etti.
Rader, tutarsızlığı faktörlerin bir kombinasyonuna bağlıyor. Prensipte etkin kütlenin ölçülmesinin basit olduğunu ancak önemli bir uyarının bulunduğunu söylüyor. "Momentuma karşı bağlanma enerjisinde bir parabol ölçüyoruz (burada momentum doğrudan 'açı çözümlü fotoemisyon'daki 'açıdan' geliyor)" diye açıklıyor. "Ancak, üç boyutlu bir katıda bu parabol, üç boyutlu bir paraboloitin kesitidir ve eğer onu tepe noktasından kesmezsek, yanlış - genellikle daha yüksek - etkin kütleyi elde edebiliriz."
Rader, ARPES'te x ve y yönlerindeki momentumun elektron emisyon açısıyla ilişkili olduğunu, ancak z yönündeki momentumun elektronları uyarmak için kullanılan fotonların enerjisi tarafından belirlendiğini açıklamaya devam ediyor. BESSY II durumunda, bu foton enerjisi, spektrumun vakumlu ultraviyole bölgesindeki dalga boylarındaki sinkrotron radyasyonundan geliyor. Bu nedenle deneysel çalışmanın ana kısmının etkin kütleyi belirlemek için doğru foton enerjisini bulmak olduğunu söylüyor.
Ucuz ve istikrarlı güneş pilleri için yeni çözümler arayışında
Diğer bir görev ise beklenen etkin kütleyi polaronlar olmadan hesaplamaktı. Rader, "Gelişmiş bir yöntem kullandık ve önceki hesaplamaların çok küçük bir etkin kütleyi öngördüğünü gördük" diyor. "Bu nedenle önceki çalışmadaki problemin yarısı deneysel, yarısı da teorik taraftaydı."
Güvenilir bir teknik
Rader, ARPES'in daha önce perovskit olmayan iki bileşik olan TiO2'deki polaronların varlığından dolayı etkin elektron kütlesinde bir artış tespit ettiğini belirtiyor.2 ve SrTiO3. Bu nedenle bu tür ölçümler için güvenilir bir teknik olduğunu söylüyor. "Sonucumuz, deneysel yöntemimizin büyük polaronların oluşumuna dair hiçbir belirti olmadığını gösterdiği yönünde" diyor. "Bu sonuç, kurşun halojenür perovskitlerin özellikleri için polaronların varlığını ve önemli bir rolünü, en önemlisi de güneş pili malzemesi olarak yüksek verimliliklerini öngören teorilerin yeniden değerlendirilmesine yol açmalıdır."
Devamında araştırmacılar, kristal CsPbBr numunesi üzerinde benzer ölçümler yapmak istediklerini söylüyorlar.3 ışık tutuyor ama deneysel olarak bunun “zorlayıcı” olmasını bekliyorlar. Mevcut araştırmalarını rapor ediyorlar Physical Review Letters.
