Lời giải thích lâu dài về lý do tại sao vật liệu perovskite tạo ra pin mặt trời tốt như vậy đã bị nghi ngờ nhờ các phép đo mới. Trước đây, các nhà vật lý cho rằng các đặc tính quang điện tử thuận lợi của perovskite halogenua chì là do hoạt động của các giả hạt gọi là Polaron trong mạng tinh thể của vật liệu. Tuy nhiên, hiện nay các thí nghiệm chi tiết ở Đức máy đồng bộ BESSY II tiết lộ rằng không có các phân cực lớn nào hiện diện. Công trình này đã làm sáng tỏ cách tối ưu hóa perovskite cho các ứng dụng trong thế giới thực, bao gồm điốt phát sáng, laser bán dẫn và máy dò bức xạ cũng như pin mặt trời.
Perovskite chì halogenua thuộc họ vật liệu tinh thể có ABX3 cấu trúc, trong đó A là xêzi, metylamoni (MA) hoặc formamidinium (FA); B là chì hoặc thiếc; và X là clo, brom hoặc iốt. Chúng là những ứng cử viên đầy triển vọng cho pin mặt trời màng mỏng và các thiết bị quang điện tử khác vì dải khe điều chỉnh được của chúng cho phép chúng hấp thụ ánh sáng trên một phạm vi bước sóng rộng trong quang phổ mặt trời. Các hạt mang điện (electron và lỗ trống) cũng khuếch tán qua chúng trên khoảng cách xa. Những đặc tính tuyệt vời này mang lại cho pin mặt trời perovskite hiệu suất chuyển đổi năng lượng hơn 18%, đặt chúng ngang hàng với các vật liệu pin mặt trời đã có như silicon, gali arsenide và cadmium Telluride.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa chắc chắn chính xác tại sao các hạt mang điện lại di chuyển tốt trong perovskite, đặc biệt là vì perovskite chứa nhiều khiếm khuyết hơn nhiều so với các vật liệu pin mặt trời đã có. Một giả thuyết cho rằng các phân cực – các hạt tổng hợp cấu tạo từ một electron được bao quanh bởi một đám mây phonon ion, hay các dao động mạng – đóng vai trò như những màn chắn, ngăn cản các hạt mang điện tương tác với các khuyết tật.
Đo động năng của electron
Trong công trình mới nhất, một nhóm do nhà vật lý chất rắn dẫn đầu Oliver Rader của Helmholtz-Zentrum Berlin đã kiểm tra giả thuyết này bằng cách sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ quang phổ phân giải góc (ARPES). Kỹ thuật này mang lại thông tin về cấu trúc vùng điện tử của vật liệu thông qua động năng E= 1 / 2 mv2 của các electron của nó, ở đâu m là khối lượng của electron và v là vận tốc của nó. Viết dưới dạng động lượng của electron p=mv, mối quan hệ này tương ứng với một parabol E=(p2) / (2m) có thể đo trực tiếp trong thí nghiệm.
Nếu các phân cực thực sự có mặt trong quá trình vận chuyển điện tích, thì các electron sẽ chuyển động chậm hơn – và do đó khối lượng hiệu dụng của chúng sẽ cao hơn – nhờ vào sự tương tác với các phân cực. Khối lượng hiệu dụng của electron càng lớn thì độ cong của parabol càng nhỏ. Tuy nhiên, các phép đo do thành viên nhóm thực hiện Maryam Sajedi trên các mẫu tinh thể CsPbBr3 không xác định được độ giảm dự kiến của độ cong parabol. Rader cho biết, đây là một điều bất ngờ vì lý thuyết dự đoán khối lượng hiệu dụng sẽ tăng lên 28% trong perovskite chì halogenua có liên quan, trong khi một thí nghiệm cạnh tranh nhận thấy sự tăng cường 50% từ dữ liệu ARPES.
Rader cho rằng sự khác biệt là do sự kết hợp của nhiều yếu tố. Về nguyên tắc, ông nói, khối lượng hiệu dụng rất dễ đo, nhưng có một lưu ý quan trọng. “Chúng tôi đo một parabol trong năng lượng liên kết so với động lượng (trong đó động lượng đến trực tiếp từ 'góc' trong 'quang phát xạ phân giải theo góc')," ông giải thích. “Tuy nhiên, trong một chất rắn ba chiều, parabol này là một mặt cắt của một paraboloid ba chiều, và nếu chúng ta không cắt nó ở đỉnh của nó, chúng ta có thể thu được khối lượng hiệu dụng sai – thường là cao hơn”.
Rader tiếp tục giải thích rằng trong ARPES, động lượng theo hướng x và y có liên quan đến góc phát xạ electron, nhưng động lượng theo hướng z được xác định bởi năng lượng của các photon dùng để kích thích electron. Trong trường hợp của BESSY II, năng lượng photon này đến từ bức xạ synchrotron ở các bước sóng trong vùng tử ngoại chân không của quang phổ. Do đó, phần chính của công việc thí nghiệm là tìm ra năng lượng photon chính xác để xác định khối lượng hiệu dụng, ông nói.
Tìm kiếm giải pháp mới cho pin mặt trời giá rẻ và ổn định
Một nhiệm vụ nữa là tính khối lượng hiệu dụng dự kiến khi không có các phân cực. Rader nói: “Chúng tôi đã sử dụng một phương pháp tiên tiến và phát hiện ra rằng những tính toán trước đây dự đoán khối lượng hiệu dụng quá nhỏ”. “Do đó, vấn đề của công trình trước đây một nửa là ở khía cạnh thực nghiệm và một nửa là ở khía cạnh lý thuyết.”
Một kỹ thuật đáng tin cậy
Rader lưu ý rằng ARPES trước đây đã phát hiện ra sự tăng cường khối lượng electron hiệu dụng do sự hiện diện của các phân cực trong hai hợp chất không phải perovskite, TiO2 và SrTiO3. Do đó, đây là một kỹ thuật đáng tin cậy cho loại phép đo này, ông nói. “Kết luận của chúng tôi là phương pháp thí nghiệm của chúng tôi chứng tỏ rằng không có dấu hiệu nào cho thấy sự hình thành các phân cực lớn,” ông nói. “Kết quả này sẽ dẫn đến việc đánh giá lại các lý thuyết dự đoán sự hiện diện và vai trò quan trọng của các phân cực đối với các tính chất của perovskite halogenua chì, quan trọng nhất là hiệu suất cao của chúng như một vật liệu pin mặt trời.”
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu cho biết họ muốn thực hiện các phép đo tương tự trên mẫu tinh thể CsPbBr3 trong khi chiếu ánh sáng vào nó, nhưng họ cho rằng điều này sẽ “thử thách” về mặt thực nghiệm. Họ báo cáo nghiên cứu hiện tại của họ trong Physical Review Letters.
