由于新的测量，钙钛矿材料为何能制造出如此出色的太阳能电池的长期解释受到质疑。 此前，物理学家将卤化铅钙钛矿的有利光电特性归因于材料晶格内称为极化子的准粒子的行为。 然而，现在德国的详细实验 BESSY II 同步加速器 揭示了不存在大的极化子。 这项工作揭示了钙钛矿如何针对实际应用进行优化，包括发光二极管、半导体激光器和辐射探测器以及太阳能电池。
卤化铅钙钛矿属于具有 ABX 的晶体材料家族3 结构，其中A是铯、甲基铵(MA)或甲脒(FA)； B是铅或锡； X是氯、溴或碘。 它们是薄膜太阳能电池和其他光电设备的有希望的候选者，因为它们的可调谐带隙使它们能够吸收太阳光谱中广泛波长范围内的光。 电荷载流子（电子和空穴）也通过它们长距离扩散。 这些优异的特性使钙钛矿太阳能电池的功率转换效率超过 18%，使其与硅、砷化镓和碲化镉等已建立的太阳能电池材料相当。
然而，研究人员仍然不确定为什么电荷载流子在钙钛矿中传播得如此之好，特别是因为钙钛矿比已建立的太阳能电池材料含有更多的缺陷。 一种假设是极化子——由被离子声子云或晶格振动包围的电子组成的复合粒子——充当屏幕，防止电荷载流子与缺陷相互作用。
测量电子的动能
在最新的工作中，一个由固态物理学家领导的团队 奥利弗·雷德 的 柏林亥姆霍兹中心 使用称为角分辨光电子能谱（ARPES）的技术检验了这一假设。 该技术通过动能产生有关材料电子能带结构的信息 E= 1 / 2 mv2 它的电子，其中 m 是电子的质量和 v 是它的速度。 用电子动量写成 p=mv, 这种关系对应于一条抛物线 E=(p2)/(2m) 可以在实验中直接测量。
如果在电荷传输过程中确实存在极化子，由于与极化子的相互作用，电子应该移动得更慢——因此它们的有效质量应该更高。 电子的有效质量越大，抛物线的曲率越小。 但是，由团队成员领导的测量 玛丽亚姆·萨杰迪 在结晶 CsPbBr 样品上3 未能确定抛物线曲率的预期减少。 Rader 说，这是一个惊喜，因为理论预测相关的卤化铅钙钛矿的有效质量提高了 28%，而一项竞争实验从 ARPES 数据中得出了 50% 的提高。
Rader 将这种差异归因于多种因素。 他说，原则上，有效质量很容易测量，但有一个重要的警告。 “我们测量结合能与动量的抛物线（动量直接来自'角度分辨光电'中的'角度'），”他解释道。 “然而，在三维立体中，这条抛物线是三维抛物面的切割，如果我们不在它的顶点切割它，我们可能会得到错误的——通常是更高的——有效质量。”
Rader 继续解释说，在 ARPES 中，x 和 y 方向的动量与电子发射角有关，但 z 方向的动量取决于用于激发电子的光子的能量。 在 BESSY II 的案例中，这种光子能量来自光谱真空紫外区波长的同步辐射。 因此，实验工作的主要部分是找到正确的光子能量来确定有效质量，他说。
寻找廉价且稳定的太阳能电池的新解决方案
另一个任务是计算没有极化子的预期有效质量。 “我们使用了一种先进的方法，发现之前的计算预测的有效质量太小了，”Rader 说。 “因此，这项先前工作的问题一半在实验方面，一半在理论方面。”
可靠的技术
Rader 指出，由于在两种非钙钛矿化合物 TiOXNUMX 中存在极化子，ARPES 之前已经检测到有效电子质量的增强2 和 SrTiO3. 因此，对于这种类型的测量来说，这是一种可靠的技术，他说。 “我们的结论是，我们的实验方法表明没有迹象表明大极化子会形成，”他说。 “这一结果应该会导致重新评估那些预测极化子的存在和对卤化铅钙钛矿特性的重要作用的理论，最重要的是它们作为太阳能电池材料的高效率。”
作为后续，研究人员表示他们希望对结晶 CsPbBr 样品进行类似的测量3 虽然照亮它，但他们希望这在实验上具有“挑战性”。 他们报告了他们目前的研究 “物理评论快报”.
