Blyhalogenidperovskitter er ikke ferroelektriske

I en solcelle, når sollys påvirker materialet, en afgift genereres. Specifikt, denne ladning svarer til et elektron-hul-par, hvor en elektron exciteres til ledningsbåndet, efterlader et hul i valensbåndet. For at cellerne skal være effektive, dette par ladninger skal adskilles og udtrækkes så effektivt som muligt (elektron og hul skal rettes til modsatte elektroder for at blive fanget) for at generere en elektrisk strøm. Det er her, ferroelektricitet kommer i spil:Denne egenskab ville generere et indbygget elektrisk felt i materialet, som kunne hjælpe med ladningsadskillelse.

I det særlige tilfælde af blyhalogenidperovskitter, ferroelektricitet kunne hjælpe med at forstå, hvorfor de fungerer så godt som aktivt materiale i solceller, og faktisk det var en plausibel forklaring indtil videre. Imidlertid, undersøgelsen offentliggjort i Energi- og miljøvidenskab af forskere fra Institut for Materialevidenskab i Barcelona (ICMAB-CSIC) og Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Tyskland) viser, for første gang, at det at disse materialer er optimale til solceller ikke skyldes ferroelektricitet. "Dette arbejde er meget interessant for at forstå, hvorfor disse celler er så effektive, " siger Andrés Gómez, forsker ved ICMAB-CSIC og første forfatter til artiklen. Vi bliver nødt til at blive ved med at lede efter det endelige svar.

Hemmeligheden:Den nye teknik, der blev brugt

Teknikken, der bruges til at belyse ikke-ferroelektriciteten af ​​blyhalogenidperovskitter, er DPFM-teknikken (direkte piezoelektrisk kraftmikroskopi). En patentansøgning, der beskriver karakteriseringen af ​​teknikken, blev indgivet i 2017 af ICMAB-CSIC-forskere. "Indtil nu var der kun én avanceret metode til atomkraftmikroskopi (AFM) kaldet piezoresponskraftmikroskopi (PFM) til at studere ferroelektriciteten af ​​disse prøver. Men, denne tilstand har forårsaget en masse kontroverser, da det ikke er pålideligt nok til at skelne mellem et ferroelektrisk materiale og et, der ikke er det. Selvom det er muligt at måle ferroelektricitet med PFM, andre effekter kan give et falsk signal, opnår fejlagtige resultater, " forklarer Gómez.

Imidlertid, DPFM-teknikken, introduceret i 2017 på ICMAB-CSIC, komplementær til PFM, måler den piezoelektriske effekt på en direkte måde og gør det muligt klart at skelne, om en prøve er ferroelektrisk eller ej. Teknikken producerer ikke falske signaler, da det udelukker mange måleartefakter, fordi en mekanisk energi via den piezoelektriske effekt omdannes direkte til elektrisk energi på en strengt proportional måde. Dette faktum er grundlæggende for at kunne undersøge eksistensen af ​​ferroelektricitet i blyhalogenidperovskitter, et spørgsmål, der har været til debat i flere år.

Til denne undersøgelse, polykrystallinske prøver af blyhalogenidperovskitter og prøver af andre materialer med kendt ferroelektricitet anvendt som kontrol blev analyseret, og eksperimenter blev udført med perovskitter med forskellige egenskaber (kornstørrelse, lagtykkelse, forskellige underlag, forskellige teksturer, osv.) ved at bruge PFM og DPFM, og endda EFM (elektrostatisk kraftmikroskopi).

Det er første gang, at DPFM-teknikken er blevet brugt i blyhalogenid-perovskit-solceller. "Ingen anden forskergruppe har været i stand til med opløsning i nanometerskala, for at belyse, om disse celler virkelig er ferroelektriske eller ej, " siger Gómez. Nu ved vi det.