Undersøgelse af lovende fotovoltaisk materiale fører til opdagelse af en ny stoftilstand

Forskere ved McGill University har fået ny indsigt i, hvordan perovskitter fungerer, et halvledermateriale, der lover meget for at lave høj effektivitet, lavpris solceller og en række andre optiske og elektroniske enheder.

Perovskites har tiltrukket sig opmærksomhed i løbet af det sidste årti på grund af deres evne til at fungere som halvledere, selv når der er defekter i materialets krystalstruktur. Dette gør perovskites specielle, fordi at få de fleste andre halvledere til at fungere godt kræver stringente og kostbare fremstillingsteknikker for at producere krystaller, der er så fejlfrie som muligt. I hvad der svarer til opdagelsen af ​​en ny tilstand af stof, McGill-holdet har taget et skridt fremad i at låse op for mysteriet om, hvordan perovskites udfører dette trick.

"Historisk set, folk har brugt bulk-halvledere, der er perfekte krystaller. Og nu, lige pludselig, denne uperfekte, blød krystal begynder at virke til halvlederapplikationer, fra solceller til lysdioder, " forklarer seniorforfatter Patanjali Kambhampati, en lektor ved Institut for Kemi på McGill. "Det er udgangspunktet for vores forskning:Hvordan kan noget, der er defekt, fungere på en perfekt måde?"

Kvanteprikker, men ikke som vi kender dem

I et papir udgivet 26. maj i Physical Review Research , forskerne afslører, at et fænomen kendt som kvanteindeslutning forekommer i bulk-perovskitkrystaller. Indtil nu, kvanteindeslutning var kun blevet observeret i partikler på få nanometer store - kvanteprikkerne af fladskærms-tv-berømmelse var et meget rost eksempel. Når partiklerne er så små, deres fysiske dimensioner begrænser bevægelsen af ​​elektroner på en måde, der giver partiklerne tydeligt forskellige egenskaber fra større stykker af det samme materiale - egenskaber, der kan finjusteres til at producere nyttige effekter såsom udsendelse af lys i præcise farver.

Ved at bruge en teknik kendt som tilstandsopløst pumpe/sonde spektroskopi, forskerne har vist, at en lignende type indeslutning forekommer i bulk cæsium blybromid perovskitkrystaller. Med andre ord, deres eksperimenter har afsløret kvanteprikker-lignende adfærd, der finder sted i stykker af perovskit, der er betydeligt større end kvanteprikker.

Overraskende resultat fører til uventet opdagelse

Arbejdet bygger på tidligere forskning, der fastslog, at perovskites, mens det ser ud til at være et fast stof for det blotte øje, har visse egenskaber, der er mere almindeligt forbundet med væsker. I hjertet af denne væske-faste dualitet er et atomgitter, der er i stand til at forvrænge som reaktion på tilstedeværelsen af ​​frie elektroner. Kambhampati drager en sammenligning med en trampolin, der absorberer stødet fra en sten, der er kastet ind i dens centrum. Ligesom trampolinen til sidst vil bringe klippen til at gå i stå, forvrængning af perovskitkrystalgitteret - et fænomen kendt som polarondannelse - forstås at have en stabiliserende effekt på elektronen.

Mens trampolinanalogien ville foreslå en gradvis spredning af energi i overensstemmelse med et system, der bevæger sig fra en ophidset tilstand tilbage til en mere stabil, pumpe/probe spektroskopidata afslørede faktisk det modsatte. Til forskernes overraskelse, deres målinger viste en samlet stigning i energi i kølvandet på polarondannelse.

"Det faktum, at energien blev hævet, viser en ny kvantemekanisk effekt, kvante indespærring som en kvante prik, "Kambhampati siger, forklarer det, på størrelsesskalaen af ​​elektroner, klippen i trampolinen er en exciton, den bundne parring af en elektron med det rum, den efterlader, når den er i en exciteret tilstand.

"Det, polaronen gør, er at begrænse alt til et rumligt veldefineret område. En af de ting, vores gruppe var i stand til at vise, er, at polaronen blandes med en exciton for at danne, hvad der ligner en kvanteprik. På en måde, det er som en flydende kvanteprik, hvilket er noget vi kalder et kvantedråbe. Vi håber, at udforskning af adfærden af ​​disse kvantedråber vil give anledning til en bedre forståelse af, hvordan man konstruerer defekttolerante optoelektroniske materialer."