Foto-induceret ionforskydning i blandede halogenidperovskitter til et batteri, der kan oplades direkte med lys

Blyhalogenidperovskitter (f.eks. MAPbI₃ ) er en ny familie af halvledermaterialer med fremragende optoelektroniske egenskaber, der er ideelt egnet til fotovoltaiske og lysemitterende applikationer. Signifikant ionmigrering er blevet rapporteret i disse materialer og er en af ​​hovedmekanismerne, der er ansvarlige for unormal I-V-hysterese og dårlig stabilitet i perovskit-solcellerne.

Især blandede halogenidperovskitter udviser yderligere fotoinduceret halogenid-anion-"segregering" under kontinuerlig belysning over båndgabet, og processen er reversibel, når belysningen fjernes. Dette adskillelsesfænomen ses almindeligvis som en negativ effekt på de optoelektroniske applikationer og bør undertrykkes.

Den mest observerede effekt af ionadskillelsen er det røde skift i fotoluminescens (PL) top fra den forventede bølgelængde for legeringen til den for en væsentlig højere sammensætning af jod. Det hævdes generelt, at en ensartet legering MAPbI_1-x Br_x ville adskille sig i jodrige og bromrige domæner inden for det belyste område.

En række mikroskopiske mekanismer er blevet foreslået for at forklare fænomenet. Men ingen af ​​dem kan entydigt forklare alle de centrale aspekter af fænomenet. Faktisk er de kemiske og strukturelle karakteristika for de såkaldte "Br-rige" og "I-rige" områder endnu ikke godt forstået, selvom de implicit antages at være henholdsvis henholdsvis Br-rige og I-rige legeringer.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications af forskere fra Empa−Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Schweiz, University of North Carolina i Charlotte, USA, og Tsinghua University, Kina, har opdaget, at anionadskillelsen i den blandede halogenidlegering er en ikke-lokal effekt, hvoraf ionen omfordeling kan forekomme i en makroskopisk eller mesoskopisk skala langt ud over det belyste område i en skala proportional med belysningsstrålens størrelse, op til godt over mm. Dette arbejde tilbyder et helt nyt perspektiv til den almindeligt antagede foto-inducerede "on-site" anionsegregering i blandede halogenid-perovskit-legeringer.

Forfatterne udtaler, at "specifikt finder vi, at under belysning, inden for belysningsområdet, er PL-toppen rødt forskudt fra den oprindelige position; mens samtidigt uden for det belyste område er legerings-PL-toppen stærkt forstærket i et ringområde, der kredser om belyst område. Desuden er processen reversibel, men ikke-monotonisk, og udviser ultra-lavfrekvente dæmpede svingninger mellem ringen og centrum med hensyn til PL-intensitet og position."

"Disse overraskende observationer kan forklares som, at frie Br-ioner udstødes fra det belyste område, hvilket resulterer i et positivt ladet område, og samtidig danner en negativt ladet Br-rig ring, der begge er ude af støkiometri fra den oprindelige legering. Dette fænomen kan bl.a. set som en ionisk analogi af en mesoskopisk PL-ringdannelse væk fra det belyste sted i GaAs/AlGaAs kvantebrønde, som følge af forskellen i elektron- og huldiffusionslængderne og dermed deres rumlige profiler," tilføjede de.

Forfatterne foreslår, at den ejendommelige oscillerende adfærd kunne afspejle en oscillation af ionisk plasma eller ionisk plasmon, som ikke er blevet rapporteret i faste stoffer. Udover de bredere implikationer ud over feltet af halogenidperovskitterne, giver disse resultater ny indsigt i den underliggende mekanisme for ionadskillelsen i de blandede halogenidlegeringer, hvilket gør det ikke nødvendigvis til et negativt fænomen at undertrykke, men noget potentielt nyttigt, f.eks. opbevaring. Som en lovende demonstration blev der målt en spænding omkring 0,4 V mellem centrum og ring, hvilket peger på muligheden for et batteri, der kan oplades direkte af lys. + Udforsk yderligere

Kemiker forfølger svar på, hvorfor lovende solcellemateriale hurtigt nedbrydes