Et komplet sæt energiniveaupositioner for alle primære metalhalogenidperovskitter

Metalhalogenidperovskitter udgør en populær klasse af materialer med spændende optoelektroniske egenskaber. En grundlæggende forståelse af variationerne i energiniveauernes positioner, som en funktion af materialesammensætningen, mangler, imidlertid. Forskere fra TU/e ​​og universitetet i Köln har udviklet en ny metode til at bestemme de absolutte energiniveaupositioner for alle primære perovskitter, og give forklaringer på variationerne i disse positioner.

Materialeklassen af ​​halogenidperovskitter (AMX3, hvor A er en alkalikation, eller en organisk kation, såsom methylamin (MA) eller formamidin (FA); B er bly eller tin; X er et halogenid) har tiltrukket enorm opmærksomhed i det videnskabelige samfund for nylig, på grund af gennembrud inden for perovskit optoelektronik, hovedsageligt inden for solcelleanlæg og LED'er. Ved at udveksle eller blande forskellige ioner i perovskitkrystallen, det er muligt at tune det optiske mellemrum af disse halvledere, muliggør et optimalt overlap med solspektret i absorption eller en afstembar bølgelængde for emission. Ændringerne i båndgab er velkarakteriseret. Imidlertid, den underliggende fysiske oprindelse af disse ændringer, forskydningerne i positionerne for valensbåndets maksimum (VBM) og ledningsbåndets minimum (CBM), er ukendte. At kende disse positioner er også afgørende for at designe kontaktlag, der effektivt kan injicere/ekstrahere ladningsbærere ind i/fra disse perovskitter, som det kræves i optoelektroniske enheder, eller til design af flerlags heterojunction -anordninger med korrekte båndforskydninger mellem lagene.

"Vi var interesserede i at forstå det komplekse samspil mellem nogle få subtile, men alligevel korrelerede faktorer, når vi kombinerer forskellige typer ioner i perovskit-krystalstrukturen, " forklarer Shuxia Tao, Assis. Prof. fra Center of Computational Energy Research (CCER) of Applied Physics, TU/e. Sammen med Selina Olthof, eksperimentel fysiker fra universitetet i Köln, hendes team begyndte for omkring to år siden at løse dette problem, ved at igangsætte en storstilet eksperimentel og teoretisk undersøgelse af alle primære halogenidperovskitter (18 materialer i alt).

Positionerne for VBM og CBM kan måles, i princippet, ved fotoemissionsspektroskopi (PES), og omvendt fotoemissionsspektroskopi (IPES), henholdsvis. Indtil nu, PES/IPES-undersøgelser har rapporteret ret forskellige værdier for VBM- og CBM-positionerne, imidlertid, selv for almindelige perovskitmaterialer, fordi disse positioner er følsomme over for variationer i almindelige dataevalueringsprotokoller.

Kombination af beregninger af densitet funktionel teori (DFT) og PES/IPES data, forskerne har udviklet en pålidelig metode, der er i stand til at bestemme et konsekvent og præcist sæt VBM- og CBM -data for alle 18 perovskitter. Yderligere, ved hjælp af en krystalorbital Hamiltonian population (COHP) analyse (Junke Jiang, Ph.d. kandidat ved CCER), og udvikle en tæt-bindende model (Prof. Geert Brocks, CCER), forskerne er i stand til at forklare den bagvedliggende oprindelse af de tendenser, der observeres i perovskit -energiniveaupositionerne, med hensyn til energiniveauerne i de enkelte kationer og anioner, og hybridiseringen mellem de tilsvarende atomare tilstande.

"Ved at kombinere flere teoretiske og eksperimentelle metoder, vi har skabt en ny metode, der giver os mulighed for at få omfattende indsigt i de elektroniske energiniveauer i denne materialeklasse. Vi er meget tilfredse med resultatet af denne forskning efter to års kontinuerlig indsats; vi mener, at vores arbejde vil få en bred indflydelse på dette område, fordi denne viden er afgørende for yderligere optimering af perovskitmaterialerne samt deres energitilpasning i en arbejdsindretning; begge er meget vigtige aspekter for effektiviteten af ​​de perovskite optoelektroniske enheder, "tilføjer Shuxia Tao.