Styring af ladningsflow ved at styre elektronhuller

Der mangler stadig meget at lære om, hvordan ladning bevæger sig langs de molekyler, der udgør lagene af materialer i solceller. Disse detaljer er forblevet skjulte på grund af udfordringerne ved direkte, realtidsobservation af elektroners bevægelse og deres huller ved grænseflader, hvor to solcellematerialer mødes. Brug af ultrahurtige ekstreme ultraviolette pulser, forskere så, mens huller blev sprøjtet hen over grænsefladematerialerne, der findes i hybride perovskit-solceller. Udbruddene af ekstremt ultraviolet lys varede kun femtosekunder. Udbruddene tillod ultrahurtige, elementspecifikke målinger. Eksperimenterne afslørede, hvilke tilstande af nikkelatomet er de primære hul-acceptorer.

At lære, hvordan ladning bevæger sig i solcellernes materialelag, kan afsløre manglende designparametre. Disse parametre kunne lade forskerne kontrollere, hvordan ladningen bevæger sig inde i solpaneler eller LED'er, herunder fremtidige design baseret på nye materialer.

Detaljeret viden om ladningsbevægelser i realtid i solcellematerialer kan hjælpe forskere og ingeniører med at designe bedre solceller. Her, videnskabsmænd skal håndtere både elektroner og de huller, der er tilbage. Specifikt, de har brug for en måde at indsamle og flytte elektronhuller på, de pletter, hvor elektroner kunne være, men ikke er. Men der er et problem.

Overfladetilstandene af oxidmaterialer, der letter huloverførsel, er svære at studere, fordi det er vanskeligt at sondere direkte mellem lag af materialer, og ladningsdynamikken er ekstrem hurtig, gør det svært at følge dem i realtid. Forskere udtænkte en ny måde at undersøge ladningstransport i lagdelte materialer. Deres nye tilgang lader dem i realtid se, hvordan huller dannes, og hvordan de resulterende elektroner bevæger sig, og de demonstrerede metoden ved at karakterisere grænsefladen dannet med nikkeloxid ovenpå jernoxid. Metoden anvender ekstrem ultraviolet reflektions-absorptionsspektroskopi ved hjælp af bittesmå udbrud af ekstremt ultraviolet lys, der kun varer et par femtosekunder.

De korte bursts tillader måling af elektrondynamik i realtid, og sprængenergien tillader elementspecifikke målinger inden for lagdelte materialer. De fandt ud af, at en forbigående nikkelion (Ni ₃ ⁺ ) dannes efter sollys exciterer det underliggende jernoxidlag. Dette fortæller forskerne, hvordan hullerne i nikkeloxiden fungerer. Ud over, holdets arbejde viste, at huller sprøjtes ind i nikkeloxidlaget via en to-trins proces, der starter med en hurtig, feltdrevet exciton (elektron-hul-par) dissociation i jernlaget. Med denne forskning, videnskabsmænd afslørede den kemiske natur af hulacceptortilstanden i nikkeloxid. Også, de viste, hvordan exciton-dissociation og grænsefladehuloverførsel forekommer ved grænsefladen mellem nikkeloxid og jernoxid, en modelgrænseflade.