Fysikere skinner lys over egenskaber ved potentielt solcellemateriale

Forskning ledet af University of Texas i Dallas fysikere har ændret forståelsen af ​​de grundlæggende egenskaber ved perovskitkrystaller, en klasse materialer med stort potentiale som solceller og lysemittere.

Udgivet i juli i Naturkommunikation , undersøgelsen præsenterer beviser, der sætter spørgsmålstegn ved eksisterende modeller for perovskites adfærd på kvanteplan.

"Vores forbedrede forståelse af perovskites fysik hjælper med at bestemme, hvordan de bedst bruges, "sagde Dr. Anton Malko, lektor i fysik på School of Natural Sciences and Mathematics og en tilsvarende forfatter til papiret.

Udtrykket perovskit refererer bredt til mineraler med den samme specifikke krystalstruktur som forbindelsen, der oprindeligt bar navnet perovskit:calciumtitanat.

"I enhver ren krystal, atomer er arrangeret på en meget velordnet måde, sagde Dr. Riya Bose, postdoc forsker i fysik, der forberedte prøverne til undersøgelsen. "Tusinder af materialer kan defineres som perovskitter ved deres særlige struktur. Visse typer af disse er fremragende kandidater til solceller eller lysemittere."

Perovskitforskning er relativt ung, begyndende med fotovoltaiske undersøgelser, der blev offentliggjort for omkring et årti siden. Til sammenligning, silicium solceller er blevet forfinet i mange årtier.

"Silicium solceller, som dem du kan købe nu, er blevet mere effektive gennem årtierne, vokser dramatisk efter 1960'erne, "Sagde Malko." Dagens effektivitet er på omkring 20 procent, "hvilket betyder, at en femtedel af energien fra det indfaldende lys omdannes til elektricitet af solceller.

Fordi perovskitter er et nyere forskningsemne, meget er stadig ukendt om, hvorfor de opfører sig, som de gør.

"Hvad man ved, imidlertid, er, at perovskitter allerede overstiger den bedste effektivitet opnået med silicium, "Malko sagde." De er også lette at lave og er meget billige i forhold til silicium. "

Det, der holder perovskite tilbage, er dens ustabilitet; en perovskit solcelle skulle udskiftes i løbet af få uger.

"En solcelle, der hurtigt nedbrydes under sollys, er klart ubrugelig, "Sagde Malko." En siliciumcelle kan holde i 20 år. Med perovskit, levetid måles i hundredvis af timer. Men selv det repræsenterer fremskridt fra den tidligste forskning. Nu, vi er flyttet til at arbejde med uorganiske perovskitter, som skulle forlænge det liv. "

Mange materialer med god lysabsorberingshastighed er også gode til at genudsende det lys. Malkos arbejde har fokuseret på perovskites lysemitterende adfærd på nanopartikelniveau.

"Kvanteudbyttet for nogle perovskitpartikler er næsten 100%, hvilket betyder at de er super lyse, "sagde han." Vi satte os for at finde den specifikke kilde til denne luminescens. "

Inden Malkos undersøgelse, den udbredte model var, at inden for perovskitter, som i mange andre halvledere, lys udsendes af excitoner:bundne tilstande af negative og positive ladninger, henholdsvis kaldet elektroner og huller. Excitons kan bevæge sig over store afstande inden i materialet.

Ifølge denne model, da materialets størrelse krymper, excitonerne skulle blive mere begrænsede i deres bevægelse, en proces kaldet kvanteindeslutning. Dette bør resultere i ændringer i bølgelængden, eller farve, lys absorberet eller udsendt.

Brug af enkeltpartikelspektroskopi til at observere perovskit -nanopartikler, forskerne ønskede at lære, hvad individuelle excitoner lavede. Ved at teste den konventionelle visdom, de modbeviste det.

"Vi observerede, at perovskitlys er bemærkelsesværdigt konsekvent, "Sagde Malko." På trods af at han undersøgte en lang række størrelser, fra 9 til 30 nanometer, emissionsbølgelængden-lysets farve-var uændret i de cæsiumbaserede perovskitprøver, "sagde han." Det udsendte lys var en specifik grøn uanset størrelsen af ​​det observerede materiale. "

Hvad Malko, Bose og deres kolleger fandt ud-både i perovskitter, der besidder interne tredimensionelle krystalgitter og i nul-dimensionelle-var, at lysemissionen på det enkelte nanopartikelniveau mere lignede lys fra individet, stærkt lokaliserede molekylære excitationer frem for fra mobile elektroner og huller. Graver videre, forskerne fastslog, at kilden til det udsendte lys var tæt knyttet til bromidatomets ledige steder i perovskitterne.

"Disse fund modsiger kvanteindeslutningsmodellen, hvilket ville diktere, at kilden til luminescens i disse perovskitter er fra excitoner, der er delokaliseret over nanopartikler, "Sagde Malko." Perovskitter af enhver størrelse vil demonstrere denne adfærd. "

Derudover i tilfælde af kvanteindeslutning, udsættelse for mere intens lys ville skabe flere excitoner med forskellig adfærd og emissive egenskaber. I de cæsiumbaserede perovskit-nanopartikler, imidlertid, forbedret fotonudgang var karakteriseret ved lignende emissionsparametre.

"Dette er dramatisk anderledes end de tidligere synspunkter i samfundet, "Malko sagde." Den fremherskende forforståelse, der indebar kvanteindeslutning, har været svær at fortrænge. "

Malko beskrev forskningen som et vigtigt skridt fremad i forståelsen af ​​perovskitmaterialers emissionsegenskaber. Stadig, en række spørgsmål skal løses inden deres praktiske gennemførelse - hovedsageligt langtidsproblemet.

"Hvis nogen finder en måde at få perovskitter til at vare i flere år, Jeg forudser, at der vil være snesevis af virksomheder, der laver perovskite solceller og lysemitterende enheder, " han sagde.