Undersøgelse afslører nye rumlige tidsmæssige dynamikker af bærere i perovskit tynde film

Hybride organiske eller uorganiske halogenidperovskitter er en unik klasse af solcellematerialer, der bryder nogle af de materialedesignregler, der har været på plads i over 30 år. For eksempel, de kan opnå en ekstraordinær høj ydeevne, på trods af at de er rig på defekter og uorden i makroskopisk skala.

Denne uordnede kvalitet står i skarp kontrast til de mere traditionelle uorganiske halvledere, der i øjeblikket bruges til at fremstille elektronik. Ud over, deres morfologi gør det langt sværere at kvantificere rumlige transportparametre, der er afgørende for at optimere enheders strukturer.

Ydeevnen af ​​halvlederenheder er grundlæggende styret af ladningsbærerens dynamik i materialerne. Mens mange forskere har forsøgt at få en bedre forståelse af disse dynamikker, mange spørgsmål forbliver ubesvarede.

For eksempel, ballistisk transport af ladningsbærere (f.eks. elektroner) gennem disse materialer, også kendt som ballistisk udbredelse, blev indtil videre anset for ikke at spille nogen relevant rolle i at muliggøre funktionen af ​​solcelleanlæg (PV'er) og lysemitterende dioder. Dette skyldes, at denne udbredelse hurtigt afbrydes, efter at bærerne er genereret, via en proces kendt som spredning.

Et team af forskere ved University of Cambridge og University of Oxford har for nylig udført en undersøgelse med det formål at opdage mere om ladningsbærer-dynamikken i perovskitmaterialer. Deres studie, udgivet i Naturfysik , specifikt undersøgt den spatiotemporale dynamik af bærere umiddelbart efter fotoner er absorberet af methylammonium blyiodid perovskit film.

"Interessant nok, hybride organisk-uorganiske halogenidperovskitmaterialer udviser også rig ultrahurtig dynamik på tidsskalaen under 200 fs, som har været stort set uudforsket indtil nu, " fortalte forskerne Phys.org, via e-mail. "Vi søgte derfor en direkte sonde til at visualisere den fotoinducerede ladningsbærertransportadfærd i disse materialer på femtosekunds tidsskala kombineret med nanometer rumlig præcision."

For at undersøge den spatiotemporale dynamik af bærere i methylammonium blyiodid perovskit film, forskerne brugte et tidsopløst optisk mikroskop med ekstrem tidsmæssig opløsning og nanometer rumlig præcision. De brugte en meget rumligt begrænset pumpestråle i størrelsesordenen 200 nm til at excitere materialet, hvilket resulterede i generering af exciterede elektroner kun inden for et lille område af deres prøve.

"Ved at levere en løst fokuseret sondestråle på materialet og variere tidsforsinkelsen i forhold til pumpestrålen, den rumlige dynamik af den fotogenererede elektronfordeling kan registreres, " forklarede forskerne. "Da vi sammenligner ændringerne i fordelingen over tid, den rumlige præcision er ikke begrænset af den optiske diffraktionsgrænse, men af ​​målingens præcision."

Den rumlige præcision opnået af deres optiske mikroskop gjorde det muligt for forskerne at skelne dynamik på længdeskalaer så små som ti nanometer i materialet. Ved at bruge denne tidsopløste optiske mikroskopiteknik, forskerne kunne direkte visualisere elektronernes bevægelse, selv inden for et par tiere af femtosekunder.

Deres undersøgelse indsamlede de første billeddata, der klart viser funktionen af ​​perovskitmaterialer direkte efter fotonabsorption. De fandt ud af, at umiddelbart efter at fotoner er absorberet, elektroner i disse materialer bevæger sig ekstremt hurtigt over en hidtil uset afstand.

"Efter at have optaget filmen af ​​fotoexciterede elektroner, vi kvantificerede bredden af ​​elektronfordelingen ved hvert øjebliksbillede og registrerede den gennemsnitlige kvadratiske forskydning, " sagde forskerne. "Denne analyse giver elektronernes mobilitet."

Forskerne observerede, at elektroner bevægede sig med en hastighed på 5 × 10 ⁶ Frk ^-1 over 150 nm, hvilket er næsten 1 procent af lysets hastighed over 150 nm. Denne enorme hastighed indebærer, at i halogenidperovskitter bevæger elektroner sig på en bølgelignende måde, som beskrevet af teorier i kvantemekanik, der forudsiger bølge-partikel dualitet.

"Dette er et meget overraskende resultat, da det længe har været antaget, at elektronernes kvantemekaniske adfærd nedbrydes meget hurtigt i solceller og giver efter for 'klassisk' adfærd, " sagde forskerne.

Observationerne kan få vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​nye teknologier, da de i sidste ende kræver en re-evaluering af nuværende teorier om, hvordan solceller fungerer, både dem, der er lavet af perovskiter og dem, der er fremstillet ved hjælp af andre uorganiske halvledere. Faktisk, i modsætning til de fleste tidligere undersøgelser, disse resultater tyder på, at kvanteadfærd er til stede i de fleste solceller i drift.

"Nu hvor vi har opdaget dette hidtil usete transportregime, vi vil begynde at se på andre materialer for at se, om der er en universel designregel, der dikterer udseendet af ballistisk transport, " sagde forskerne. "Hvis vi kan etablere sådan en universel forbindelse, det kan meget vel vise sig at være transformerende i den måde, vi tænker på at designe solceller i fremtiden."

© 2019 Science X Network