Команда опровергает гипотезы о перовскитных солнечных элементах, что позволяет использовать лучшие подходы для целевой оптимизации.
Многие гипотезы пытаются объяснить особенно благоприятные свойства перовскитных полупроводников для солнечных элементов. Например, считается, что поляроны или гигантский эффект Рашбы играют важную роль. Команда BESSY II экспериментально опровергла эти гипотезы. При этом они еще больше сужают возможные причины транспортных свойств и обеспечивают лучшие подходы к целенаправленной оптимизации этого класса материалов.
Исследования неорганических и гибридных органических галогенидов свинца перовскитов бурно развивались в течение нескольких лет. Этот класс материалов обладает чрезвычайно интересными свойствами: например, некоторые перовскитные полупроводники также преобразуют богатый энергией синий спектр солнечного света в электрическую энергию , так что солнечные элементы на основе перовскитов в тандеме с кремниевыми субэлементами теперь достигают КПД 30%. Перовскитные полупроводники также подходят для светоизлучающих диодов, полупроводниковых лазеров и детекторов излучения. В отличие от обычных полупроводников, эти материалы можно производить дешево и с небольшими затратами энергии из растворов для получения тонких пленок.
Но даже после многих лет интенсивных исследований микроскопические процессы в перовскитных полупроводниках, которые обеспечивают превосходный перенос заряда, до конца не изучены. Ясно только то, что носители заряда, выделяющиеся в материале солнечным светом, по-видимому, имеют большое время жизни и реже теряются, например, на дефектах или в результате рекомбинации.
Исследователи разработали гипотезы, объясняющие такое поведение, которые команда BESSY II сейчас проверила экспериментально. Команду под руководством профессора Оливера Рейдера консультировала эксперт по перовскитам профессор Ева Унгер из HZB, которая также предоставила оборудование в лаборатории HySPRINT для подготовки образцов.
Поляроны
Одна из гипотез состоит в том, что поляроны образуются в перовскитах галогенида свинца и способствуют переносу заряда. Такие поляроны представляют собой колебания ионов в кристаллической решетке, которые реагируют на движение электронов из-за их заряда. Поскольку перовскиты состоят из отрицательных (здесь свинец) и положительных ионов (здесь цезия), предположение о роли поляронов было очевидным. Измерения, проведенные другой группой, также подтверждают эту гипотезу.
ARPES-данные: нет больших поляронов
Однако на BESSY II эту гипотезу можно детально проверить экспериментально. С помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) можно сканировать структуры электронных зон. Весомая доля поляронов в переносе заряда проявилась бы через более высокую эффективную массу. ARPES измеряет кинетическую энергию электронов, т.е. 1/2 mv 2 с массой m и скоростью v. Чем «жестче» транспорт электронов, тем выше так называемая «эффективная» масса m. Поскольку импульс p = mv, формуле соответствует парабола E = (p 2 )/(2m), которая измеряется непосредственно в эксперименте (см. рисунок): чем больше m, тем меньше кривизна параболы.
Однако измерения, проведенные Марьям Саджеди на кристаллических образцах CsPbBr 3 , не показали меньших кривизн, что опровергает гипотезу о больших поляронах. «Эффективная масса, которую мы определили в результате измерения, не больше, чем теоретически предсказано», — говорит Марьям Саджеди. А Оливер Рейдер поясняет: «Чтобы убедиться, что мы учли все возможные эффекты, кроме поляронов, например, отталкивание электронов друг от друга, мы работали вместе с теоретиками из Исследовательского центра Юлиха. эксперимент, для которого пришлось бы постулировать поляроны».
Нет гигантского эффекта Рашбы
Вторая гипотеза предполагает наличие гигантского эффекта Рашбы для ограничения потерь на рекомбинацию носителей заряда. Эффект Рашбы основан на сильной спин-орбитальной связи, которая может создаваться в перовскитах на основе галогенидов свинца свинцом из тяжелого металла. Опять же, более ранние работы указывали на этот эффект как на возможное объяснение длительного времени жизни носителей заряда. Марьям Саджеди исследовала образцы неорганического CsPbBr 3 и гибридно-органического MAPbBr 3 с помощью спинового ARPES и проанализировала данные измерений. «Этот эффект как минимум в сто раз меньше, чем предполагалось», — комментирует она результат.
Фальсификация помогает прогрессу
«Нам удалось экспериментально опровергнуть две распространенные гипотезы о транспортных свойствах перовскитов, что является важным результатом», — говорит Рейдер. Устранение неверных гипотез очень полезно для дальнейшей оптимизации этих материалов.
