Teamet afkræfter hypoteser om perovskit-solceller, hvilket muliggør bedre tilgange til målrettet optimering

Mange hypoteser søger at forklare de særligt gunstige egenskaber ved perovskit-halvledere til solceller. Polaroner eller en kæmpe Rashba-effekt menes for eksempel at spille en stor rolle. Et hold på BESSY II har nu eksperimentelt modbevist disse hypoteser. Dermed indsnævrer de yderligere de mulige årsager til transportegenskaberne og muliggør bedre tilgange til målrettet optimering af denne klasse af materialer.

Forskningen i uorganiske og hybride organiske blyhalogenidperovskitter har været boomende i flere år. Denne klasse af materialer har ekstremt interessante egenskaber:for eksempel omdanner nogle perovskit-halvledere også det energirige blå spektrum af sollys til elektrisk energi, så solceller baseret på perovskiter i tandem med silicium-underceller nu opnår effektiviteter på 30 %. Perovskite-halvledere er også velegnede til lysemitterende dioder, som halvlederlasere og strålingsdetektorer. I modsætning til konventionelle halvledere kan disse materialer fremstilles billigt og med ringe energiforbrug fra løsninger til at give tynde film.

Men selv efter mange års intensiv forskning er de mikroskopiske processer i perovskit-halvledere, der sikrer overlegen ladningstransport, ikke forstået i detaljer. Det eneste, der står klart, er, at de ladningsbærere, der frigives i materialet af sollys, tilsyneladende har lang levetid og tabes sjældnere, for eksempel ved defekter eller ved rekombination.

Forskere har udviklet hypoteser til at forklare denne adfærd, som et hold på BESSY II nu har testet eksperimentelt. Holdet ledet af prof. Oliver Rader blev rådgivet af perovskitekspert prof. Eva Unger ved HZB, som også stillede faciliteterne til rådighed i HySPRINT-laboratoriet til prøveforberedelse.

Polaroner

En hypotese er, at polaroner dannes i blyhalogenidperovskitter og bidrager til ladningstransport. Sådanne polaroner er oscillationer af ioner i krystalgitteret, som reagerer på elektronernes bevægelse på grund af deres ladning. Da perovskitter består af negative (her bly) og positive ioner (her cæsium), var antagelsen om, at polaroner spiller en rolle, indlysende. Målinger fra en anden gruppe syntes også at understøtte denne hypotese.

ARPES-data:Ingen store polaroner

På BESSY II kan denne hypotese dog testes i detaljer eksperimentelt. Med vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) er det muligt at scanne de elektroniske båndstrukturer. En vægtig andel af polaroner i ladningstransporten ville blive tydelig gennem en højere effektiv masse. ARPES måler elektronernes kinetiske energi, dvs. 1/2 mv ² med masse m og hastighed v. Jo "hårdere" elektrontransporten er, jo højere er den såkaldte "effektive" masse m. Da momentum er p =mv, svarer formlen til en parabel E =(p ² )/(2m) som måles direkte i forsøget (se figur):jo større m, jo ​​mindre krumning af parablen.

Men de målinger, Maryam Sajedi udførte på krystallinske prøver af CsPbBr₃ viste ikke mindre krumninger, og modbeviste dermed hypotesen om store polaroner. "Den effektive masse, vi har bestemt ud fra målingen, er ikke større end teoretisk forudsagt," siger Maryam Sajedi. Og Oliver Rader forklarer:"For at sikre, at vi tog højde for alle mulige effekter ud over polaroner, for eksempel frastødningen af ​​elektronerne fra hinanden, arbejdede vi sammen med teoretikere fra Forschungszentrum Jülich. Der er dog ingen øget masse i eksperiment, for hvilket man skulle postulere polaroner."

Ingen kæmpe Rashba-effekt

Den anden hypotese antager en gigantisk Rashba-effekt for at begrænse tabene på grund af rekombination af ladningsbærere. Rashba-effekten er baseret på en stærk spin-orbit-kobling, der kunne produceres i bly-halogenid-perovskitter af tungmetallet bly. Igen pegede tidligere arbejde på denne effekt som en mulig forklaring på ladningsbærernes lange levetid. Maryam Sajedi undersøgte prøver af både uorganisk CsPbBr₃ og hybrid-organisk MAPbBr₃ med spin ARPES og analyserede måledataene. "Denne effekt er mindst hundrede gange mindre end antaget," kommenterer hun på resultatet.

Falsificering hjælper med fremskridt

"Vi har eksperimentelt været i stand til at modbevise to almindelige hypoteser om transportegenskaberne i perovskitter, hvilket er et vigtigt resultat," siger Rader. Elimineringen af ​​ugyldige hypoteser er meget nyttig for yderligere optimering af disse materialer. + Udforsk yderligere

At forstå, hvordan elektriske ladninger opfører sig inde i perovskiter, kan hjælpe med at forbedre deres ydeevne