Når en defekt kan være gavnlig

I søgen efter at designe mere effektive solceller og lysdioder (LED'er), et team af ingeniører har analyseret forskellige typer af defekter i halvledermaterialet, som gør det muligt for sådanne enheder at bestemme, om og hvordan de påvirker ydeevnen.

Rohan Mishra, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, ledet et udbredt team af forskere – inklusive Washington University, ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee og ved University of Missouri-Columbia - der studerede strukturen og egenskaberne af de almindeligt forekommende plane defekter på atomær skala, som kun spænder over nogle få tiendedele af en nanometer.

Mishras team studerede bly-halogenid perovskiter, en ny klasse af højtydende halvledere, der udforskes til næste generation af billige solceller for at muliggøre konvertering af solenergi til elektricitet med høj effektivitet.

Når disse materialer fremstilles, der kan opstå defekter, hvor forskellige krystaller mødes, kendt som korngrænser. I konventionelle halvledere, disse defekter kan reducere deres elektriske ledningsevne og solenergi-til-elektricitetskonverteringseffektiviteten; imidlertid, i bly-halogenid perovskiter, der er forskellige eksperimentelle rapporter om aktiviteten af ​​korngrænser. I nogle tilfælde, de viser sig at være skadelige, mens de i andre tilfælde enten ikke har nogen indflydelse på ydeevnen eller endda er gavnlige. Men, til dato, ingen forstod hvorfor. Mishras team forklarede hvorfor i Avancerede materialer , 3. dec.

"En lille defekt på atomær skala har en stor indflydelse på solcellen, " sagde Mishra. "Hvis der mangler et specifikt atom ved disse korngrænser, din celle vil ikke fungere godt."

På Oak Ridge National Lab, Arashdeep Singh Thind, en ph.d.-studerende ved Washington University's Institute of Materials Science &Engineering, som arbejder i Mishras laboratorium, udførte billeddannelsen med et af de mest kraftfulde elektronmikroskoper for at se på korngrænsernes atomare struktur. Guangfu Luo, en tidligere forsker i Mishras laboratorium, som er assisterende professor ved Southern University of Science and Technology i Shenzen, Kina, brugte derefter kvantemekaniske beregninger udført på nogle af de hurtigste supercomputere til at forstå de elektroniske egenskaber af disse korngrænser.

I siliciumhalvledere, korngrænser forårsager kaos, men i bly-halogenid perovskiter, de må ikke. Og det afhænger af koncentrationen af ​​halogenidionerne, et kritisk element for egenskaberne.

"Hvis du dyrker krystallerne i et halogenidfattigt miljø, så er korngrænserne forfærdelige for ydeevnen, " sagde Mishra. "Men hvis du kan dyrke dem eller udgløde [opvarme og rekombinere] dem i en halogenid-rig atmosfære, korngrænserne er fine."

Thind så også på en anden type planforkastning kendt som Ruddlesden-Popper forkastninger, hvor krystallernes planer stables forkert; for eksempel, i stedet for at være stillet op i pæne rækker, en af ​​rækkerne er forskudt lidt til venstre eller højre af en atomsøjle. Igen, ved at bruge kvantemekaniske beregninger, Luo og Mishra fandt ud af, at ved at have en stor tæthed af sådanne stablingsfejl, det kan være muligt at opnå lys optisk emission fra store og mere stabile nanopartikler af visse bly-halogenid-perovskitter, hvilket potentielt kan bane vejen for LED'er med længere levetid.

"Udfordringen for eksperimentalister er at konstruere stabling af fejl på periodiske afstande, " sagde Mishra.

I relateret forskning offentliggjort i ACS Applied Nano Materials 16. oktober, Mishras team arbejdede med forskere fra University of Missouri-Columbia, som fandt en ny kemisk vej til at fremme væksten af ​​bly-halogenid perovskiter med en høj tæthed af sådanne stablingsfejl. Ved at fjerne overfladeligander, en ion eller et molekyle, der binder sig til et overfladeatom af en nanokrystal, mindre bly-halogenid perovskit nanokrystaller smeltede sammen og voksede fra omkring 8 nanometer til 60 nanometer på 48 timer.

Disse nye nanokrystaller havde væsentligt forbedrede optiske egenskaber på grund af stablingsfejlene dannet under fusionsprocessen, som Thind fandt ved hjælp af atomopløsningsscanningstransmissionselektronmikroskopi. Ud over, nanokrystallerne var mere stabile, når de blev udsat for lys, havde skarpere emissionslinjer og et højere kvanteudbytte. Med disse defekter, de nye nanokrystaller forventes at forbedre lysemissionsegenskaberne for bly-halogenid perovskit nanokrystaller, resulterer i bedre lysdioder og andre optoelektroniske enheder.

Denne nye information giver ingeniører som Mishra og Thind mere information for at finde alternativer til bly i solceller, som ikke kun indeholder giftigt bly, men er også ustabile i lys, fugt og varme og nedbrydes i løbet af få dage, udsivning af bly til grundvandet. Mishra studerer, om et ikke-toksisk grundstof - vismut, blys nabo i det periodiske system - er en sikrere og lige så effektiv erstatning for bly i perovskitter.