Ny opdagelse afgør en langvarig debat om solcellematerialer

Forskere har teoretiseret, at organometalliske halogenidperovskiter - en klasse af lyshøstende "vidunder"-materialer til anvendelse i solceller og kvanteelektronik - er så lovende på grund af en uset, men meget kontroversiel mekanisme kaldet Rashba-effekten. Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory har nu eksperimentelt bevist eksistensen af ​​effekten i bulk perovskites, bruge korte mikrobølgeudbrud af lys til både at producere og derefter optage en rytme, meget som musik, af den kvantekoblede bevægelse af atomer og elektroner i disse materialer.

Organometalliske halogenidperovskitter blev først introduceret i solceller for omkring et årti siden. Siden da, de er blevet undersøgt intenst til brug i lys-høst, fotonik, og elektroniske transportmidler, fordi de leverer meget eftertragtede optiske og dielektriske egenskaber. De kombinerer den høje energiomdannelsesydelse fra traditionelle uorganiske fotovoltaiske enheder, med de billige materialeomkostninger og fremstillingsmetoder af økologiske versioner.

Forskning har hidtil antaget, at materialernes ekstraordinære elektroniske, magnetiske og optiske egenskaber er relateret til Rashba-effekten, en mekanisme, der styrer den magnetiske og elektroniske struktur og ladningsbærerens levetid. Men på trods af nylig intens undersøgelse og debat, afgørende bevis for Rashba-effekter i bulk organometalliske halogenidperovskitter, bruges i de mest effektive perovskite solceller, forblev meget uhåndgribelig.

Ames Laboratory-forskere opdagede, at beviser ved at bruge terahertz-lys, ekstremt stærke og kraftige lysudbrud, der affyrer med billioner af cyklusser i sekundet, at tænde eller synkronisere et "slag" af kvantebevægelse i en materialeprøve; og et andet lysudbrud for at "lytte" til beats, udløser en ultrahurtig modtager til at optage billeder af stoffets oscillerende tilstand. Denne tilgang overvandt begrænsningerne ved konventionelle detektionsmetoder, som ikke havde opløsningen eller følsomheden til at fange beviset for Rashba-effekten skjult i materialets atomare struktur.

"Vores opdagelse afgør debatten om tilstedeværelsen af ​​Rashba-effekter:De findes i bulk metalhalogenid perovskit materialer." sagde Jigang Wang, seniorforsker ved Ames Laboratory og professor i fysik ved Iowa State University. "Ved at styre kvantebevægelser af atomer og elektroner til at konstruere Rashba splittede bånd, vi opnår et betydeligt spring fremad for den grundlæggende opdagelse af effekten, som var blevet skjult af tilfældige lokale udsving, og åbner også spændende muligheder for spintroniske og fotovoltaiske applikationer baseret på kvantekontrol af perovskitmaterialer."

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Ultrahurtig kontrol af excitonisk Rashba-finstruktur ved Phonon-kohærens i metalhalogenid-perovskit CH3NH3PbI3, "forfattet af Z. Liu, C. Vaswani, X. Yang, X. Zhao, Y. Yao, Z. Sang, D. Cheng, Y. Shi, L. Luo, D.-H. Mudiyasselage, C. Huang, J.-M. Parkere, R.H.J. Kim, J. Zhao, Y. Yan, K.-M. Hej, og J. Wang; og udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

Wang og hans samarbejdspartnere ved Ames Laboratory og Iowa State University Department of Physics and Astronomy var ansvarlige for terahertz kvanteslagspektroskopi, modelbygning, og tæthedsfunktionelle teoretiske simuleringer. Højkvalitets perovskite materialer blev leveret af University of Toledo. Phonon-spektresimuleringer blev udført ved University of Science and Technology i Kina.