Halvledende materiale er mere påvirket af defekter end tidligere antaget

Et lovende halvledermateriale kunne forbedres, hvis fejl, der tidligere blev anset for irrelevante for ydeevnen, reduceres, ifølge forskning offentliggjort i dag i Naturkommunikation . En gruppe forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute og andre universiteter har vist, at en specifik defekt påvirker halogenidperovskits evne til at holde energi afledt af lys i form af elektroner.

"Defekter kan være gode eller dårlige i halvledere, " sagde Jian Shi, lektor i materialevidenskab. "Af en eller anden grund, folk var ikke opmærksomme på dislokationer i halogenidperovskit, men vi har vist, at denne defekt er et problem i halogenidperovskit."

Forskning i halogenidperovskit har hurtigt forbedret materialets effektivitet fra omkring 3 % omdannelse af lys til elektrisk energi til 25 % – svarende til avancerede siliciumsolceller – i løbet af et årti. Forskere kæmpede med silicium i årtier for at nå materialets nuværende effektivitetsniveau.

Halidperovskit har også lovende bæredynamik, som groft defineres som længden af ​​den tid, lysenergi absorberet af materialet tilbageholdes i form af en exciteret elektron. For at skabe en god udsigt til konvertering af solenergi, elektroner i materialet skal beholde deres energi længe nok til at blive høstet af en elektrode fastgjort til materialet, dermed fuldende omdannelsen af ​​lys til elektrisk energi.

Materialet var længe blevet betragtet som "defekttolerant, "betyder fejl som manglende atomer, sjuskede bindinger på tværs af krystalkorn, og en mismatch kendt som krystallografisk dislokation blev ikke antaget at have stor indflydelse på effektiviteten. Nyere forskning har stillet spørgsmålstegn ved denne antagelse og fundet ud af, at nogle defekter påvirker aspekter af krystallens ydeevne.

Shis team testede, om defekten ved krystallografisk dislokation påvirker bærerdynamikken ved at dyrke krystallen på to forskellige substrater. Et substrat havde en stærk vekselvirkning med halogenidperovskitten, da den blev aflejret, producerer en højere tæthed af dislokationer. Den anden havde en svagere interaktion og producerede en lavere tæthed af dislokationer.

Resultaterne viser, at dislokationer negativt påvirker bærerdynamikken af ​​halogenidperovskit. Reduktion af dislokationstætheder med mere end én størrelsesorden viser sig at føre til en forøgelse af elektronernes levetid med fire gange.

"En konklusion er, at halogenidperovskit har en lignende dislokationseffekt som konventionelle halvledere, " sagde Shi. "Vi skal være forsigtige med dislokationer i halogenidperovskit, hvilket er en faktor, folk har ignoreret, mens de arbejder på dette materiale."

Shis sidste betydelige arbejde med halogenidperovskit afslørede trykkets rolle på denne halvleders optiske egenskaber offentliggjort i Videnskabens fremskridt i 2018.

Hos Rensselaer, Shi fik selskab af forskere fra både Institut for Materialevidenskab og Teknik og Institut for Fysik, Anvendt fysik og astronomi. Forskere fra Kunming University of Science and Technology, Tsinghua Universitet, University of Science and Technology Beijing, Forschungszentrum Julich, og Brown University bidrog også til forskningen.

"Carrier lifetime enhancement in halogenide perovskite via remote epitaxy" blev offentliggjort 12. september i Naturkommunikation .