Dyrkning af anstrengte krystaller kan forbedre ydeevnen af ​​perovskitelektronik

En ny metode kunne gøre det muligt for forskere at fremstille mere effektive og længerevarende perovskit-solceller, LED'er og fotodetektorer. Ved at dyrke tynde perovskitfilm på underlag med forskellige sammensætninger, ingeniører ved University of California San Diego har opfundet en måde at fremstille perovskit-enkeltkrystaller med præcist deformerede, eller anstrengt, strukturer.

Værket blev udgivet 8. januar i Natur .

Engineering en lille mængde belastning i perovskites er af stor interesse, fordi det giver en måde at foretage væsentlige ændringer i materialets egenskaber, hvordan den leder elektricitet, absorberer og transmitterer lys, eller hvor stabil den er.

"Du kan bruge strain engineering som en knap til at tune eksisterende funktioner eller endda installere nye funktioner i et materiale, " sagde Sheng Xu, en professor i nanoingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter af undersøgelsen.

Der er teknikker, der bruger varme til at indføre belastning i perovskitkrystaller, men den stamme er typisk kortvarig eller ukontrollerbar i forhold til dens størrelse, hvilket gør disse stamme-konstruerede perovskitter upraktiske at bruge. Eksisterende strain engineering-teknikker er også uforenelige med enhedsfabrikationsprocesser.

Xu og hans team tacklede disse problemer ved omhyggeligt at dyrke deforme perovskit-enkeltkrystaller. Deres teknik indlejrer permanent belastning i materialets struktur og giver dem mulighed for at skræddersy mængden af ​​belastning - jo mere deformeret krystalgitteret, jo højere belastning.

Den type perovskit, der er undersøgt i denne undersøgelse, er alfa-formamidinium blyiodid, som er blevet brugt til at skabe de højeste effektivitet perovskite solceller til dato. Forskerne dyrkede krystaller af materialet på en række perovskitsubstrater med varierende sammensætning og gitterstørrelser - en proces kaldet heteroepitaxial vækst. Efterhånden som materialet krystalliserede, det overtog gitterstørrelsen af ​​sit substrat, hvilket i det væsentlige tvang alfa-formamidinium blyiodid-krystallerne til at vokse anderledes, end de normalt gør.

"Dermed, gitterne i materialet er deformeret og belastet i forskellig grad, afhængig af gittermisforholdet mellem materiale og underlag, " forklarede Yimu Chen, en nanoingeniør Ph.D. studerende i Xus laboratorium og medforfatter af undersøgelsen.

"Fordi vi indfører belastning på atomniveau, vi kan designe stammen præcist og kontrollere den, " sagde Yusheng Lei, der også er nanoingeniør Ph.D. studerende i Xus laboratorium og den anden medførsteforfatter af undersøgelsen.

Forskerne dyrkede perovskitkrystaller med fem forskellige belastningsniveauer fra 0 til -2,4%. De fandt, at -1,2% stamme producerede prøver med den bedste ladningsbærermobilitet.

Holdet rapporterede også en anden interessant opdagelse:dyrkning af alfa-formamidinium blyiodidkrystaller med stamme stabiliserede dens fotoaktive alfafase. "I sin belastningsfri form, alfa-formamidinium blyiodid gennemgår en faseovergang fra en fotoaktiv fase til en ikke-fotoaktiv fase, hvilket er dårligt for solcelleanlæg, " sagde Chen. "Med vores vækstmetode, vi kan låse materialets krystalstruktur med substratets for at forhindre denne faseovergang og forbedre dets fasestabilitet."

I fremtidige undersøgelser, forskerne vil undersøge, hvilke nye egenskaber og funktionaliteter, de kan anstrenge ingeniør til perovskiter ved hjælp af deres metode. De vil også arbejde på at opskalere deres proces for at blive store, enkeltkrystallinske tynde film til industrielle anvendelser.