Давнє пояснення того, чому перовскітні матеріали роблять такі хороші сонячні елементи, було поставлено під сумнів завдяки новим вимірюванням. Раніше фізики приписували сприятливі оптоелектронні властивості галогенідних перовскітів свинцю поведінці квазічастинок, званих поляронами, у кристалічній решітці матеріалу. Тепер, однак, докладні експерименти в Німеччині Синхротрон BESSY II показало, що великих поляронів немає. Робота проливає свіже світло на те, як перовскіти можна оптимізувати для застосування в реальному світі, включаючи світловипромінювальні діоди, напівпровідникові лазери та детектори випромінювання, а також сонячні батареї.
Галогенідні перовскіти свинцю належать до сімейства кристалічних матеріалів з ABX3 структура, де А цезій, метиламоній (МА) або формамідиній (ФА); Б — свинець або олово; і X являє собою хлор, бром або йод. Вони є багатообіцяючими кандидатами для тонкоплівкових сонячних елементів та інших оптоелектронних пристроїв, оскільки їх регульована ширина забороненої зони дозволяє їм поглинати світло в широкому діапазоні довжин хвиль у сонячному спектрі. Носії заряду (електрони і дірки) також дифундують через них на великі відстані. Ці чудові властивості дають перовскітним сонячним елементам ефективність перетворення електроенергії понад 18%, що ставить їх на один рівень із відомими матеріалами сонячних елементів, такими як кремній, арсенід галію та телурид кадмію.
Однак дослідники досі не впевнені, чому саме носії заряду так добре переміщуються в перовскітах, особливо тому, що перовскіти містять набагато більше дефектів, ніж відомі матеріали сонячних елементів. Одна з гіпотез полягає в тому, що полярони – композитні частинки, що складаються з електрона, оточеного хмарою іонних фононів або коливань гратки – діють як екрани, запобігаючи взаємодії носіїв заряду з дефектами.
Вимірювання кінетичної енергії електронів
В останній роботі команда під керівництвом фізика твердого тіла Олівер Рейдер в Helmholtz-Zentrum Berlin перевірив цю гіпотезу за допомогою техніки, відомої як фотоемісійна спектроскопія з кутовим розділенням (ARPES). Цей метод дає інформацію про електронну структуру матеріалу через кінетичну енергію E= 1/2 mv2 його електронів, де m є маса електрона і v це його швидкість. Записано в термінах імпульсу електрона p=mv, це співвідношення відповідає параболі E=(p2)/(2m), які можна безпосередньо виміряти в експерименті.
Якщо полярони дійсно присутні під час транспортування заряду, електрони повинні рухатися повільніше – і, отже, їхня ефективна маса має бути вищою – завдяки взаємодії з поляронами. Чим більша ефективна маса електрона, тим менша кривизна параболи. Однак вимірювання проводив член команди Мар'ям Саджеді на зразках кристалічного CsPbBr3 не вдалося визначити очікуване зменшення кривизни параболи. За словами Радера, це було несподіванкою, оскільки теорія передбачала збільшення ефективної маси на 28% у спорідненому перовскіті галогеніду свинцю, тоді як конкуруючий експеримент отримав збільшення на 50% на основі даних ARPES.
Радер пояснює розбіжність сукупністю факторів. В принципі, каже він, ефективну масу легко виміряти, але є важливе застереження. «Ми вимірюємо параболу в залежності енергії зв’язку від імпульсу (де імпульс надходить безпосередньо від «кута» у «фотовипромінюванні з кутовою роздільною здатністю»)», — пояснює він. «Однак у тривимірному тілі ця парабола є розрізом тривимірного параболоїда, і якщо ми не розріжемо її в його вершині, ми можемо отримати неправильну — зазвичай більшу — ефективну масу».
Далі Радер пояснює, що в ARPES імпульс у напрямках x і y пов’язаний з кутом емісії електронів, але імпульс у напрямку z визначається енергією фотонів, які використовуються для збудження електронів. У випадку BESSY II ця енергія фотонів походить від синхротронного випромінювання з довжинами хвиль у вакуумній ультрафіолетовій області спектру. Тому основною частиною експериментальної роботи було знаходження правильної енергії фотона для визначення ефективної маси, каже він.
У пошуках нових рішень для дешевих і стабільних сонячних батарей
Наступним завданням було розрахувати очікувану ефективну масу без поляронів. «Ми використали передовий метод і виявили, що попередні розрахунки передбачали занадто малу ефективну масу», — каже Рейдер. «Тому проблема цієї попередньої роботи полягала наполовину в експериментальній, а наполовину в теоретичній стороні».
Надійна техніка
Рейдер зазначає, що ARPES раніше виявив збільшення ефективної маси електронів через присутність поляронів у двох неперовскітних сполуках, TiO2 та SrTiO3. Тому це надійна техніка для такого типу вимірювань, каже він. «Наш висновок полягає в тому, що наш експериментальний метод показує, що немає ознак утворення великих поляронів», — говорить він. «Цей результат повинен призвести до переоцінки теорій, які передбачають наявність і важливу роль поляронів у властивостях галогенідних перовскітів свинцю, особливо їх високої ефективності як матеріалу для сонячних елементів».
Надалі дослідники кажуть, що вони хотіли б виконати аналогічні вимірювання на зразку кристалічного CsPbBr3 при цьому висвітлюючи це, але вони очікують, що це буде «складно» експериментально. Вони повідомляють про свої поточні дослідження в Physical Review Letters,.
