Metaalhalogenide perovskieten vormen een populaire klasse van materialen met intrigerende opto-elektronische eigenschappen. Een fundamenteel begrip van de variaties in de posities van de energieniveaus, als functie van de materiaalsamenstelling, ontbreekt, echter. Onderzoekers van de TU/e ​​en de Universiteit van Keulen hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de absolute energieniveauposities van alle primaire perovskieten te bepalen, en geef verklaringen voor de variaties in deze posities.

De materiaalklasse van halogenideperovskieten (AMX3, waarbij A een alkalikation is, of een organisch kation, zoals methylamine (MA) of formamidine (FA); B is lood of tin; X is een halide) heeft de laatste tijd enorme aandacht getrokken in de wetenschappelijke gemeenschap, door doorbraken in perovskiet-opto-elektronica, voornamelijk in fotovoltaïsche en LED's. Door verschillende ionen uit te wisselen of te mengen in het perovskietkristal, het is mogelijk om de optische kloof van deze halfgeleiders af te stemmen, waardoor een optimale overlap met het zonnespectrum in absorptie of een instelbare golflengte van emissie mogelijk is. De veranderingen in bandgaps zijn goed gekarakteriseerd. Echter, de onderliggende fysieke oorsprong van deze veranderingen, de verschuivingen in de posities van het valentiebandmaximum (VBM) en het geleidingsbandminimum (CBM), zijn niet bekend. Het kennen van deze posities is ook cruciaal voor het ontwerpen van contactlagen die ladingsdragers efficiënt in/uit deze perovskieten kunnen injecteren/onttrekken, zoals vereist is in opto-elektronische apparaten, of voor het ontwerpen van meerlaagse heterojunctie-apparaten met de juiste bandverschuivingen tussen de lagen.

"We waren geïnteresseerd om het complexe samenspel van een paar subtiele maar gecorreleerde factoren te begrijpen bij het combineren van verschillende soorten ionen in de perovskiet-kristalstructuur, " legt Shuxia Tao uit, assistentie. Prof. van het Centre of Computational Energy Research (CCER) of Applied Physics, TU/e. Samen met Selina Olthof, experimenteel fysicus van de Universiteit van Keulen, haar team begon ongeveer twee jaar geleden om dit probleem aan te pakken, door een grootschalig experimenteel en theoretisch onderzoek te starten van alle primaire halide perovskieten (18 materialen in totaal).

De posities van VBM en CBM kunnen worden gemeten, in principe, door foto-emissiespectroscopie (PES), en inverse foto-emissiespectroscopie (IPES), respectievelijk. Tot nu toe, PES/IPES-onderzoeken hebben behoorlijk uiteenlopende waarden gerapporteerd voor de VBM- en CBM-posities, echter, zelfs voor gewone perovskietmaterialen, omdat deze posities gevoelig zijn voor variaties in gemeenschappelijke data-evaluatieprotocollen.

Combinatie van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)-berekeningen en PES/IPES-gegevens, de onderzoekers hebben een betrouwbare methodologie ontwikkeld die in staat is om een ​​consistente en nauwkeurige set VBM- en CBM-gegevens te bepalen voor alle 18 perovskieten. Verder, door gebruik te maken van een kristalorbitale Hamiltoniaanse populatie (COHP) -analyse (Junke Jiang, doctoraat kandidaat bij CCER), en het ontwikkelen van een strak bindend model (Prof. Geert Brocks, CCER), de onderzoekers zijn in staat om de onderliggende oorsprong van de waargenomen trends in de perovskiet-energieniveauposities te verklaren in termen van de energieniveaus van de individuele kationen en anionen, en de hybridisatie tussen de overeenkomstige atomaire toestanden.

"Door verschillende theoretische en experimentele methoden te combineren, we hebben een nieuwe methodologie ontwikkeld waarmee we uitgebreide inzichten kunnen krijgen in de elektronische energieniveaus van deze materiaalklasse. We zijn erg blij met het resultaat van dit onderzoek na twee jaar onafgebroken inspanning; we geloven dat ons werk een brede impact zal hebben op dit gebied, omdat deze kennis cruciaal is voor het verder optimaliseren van de perovskietmaterialen en hun energie-uitlijning in een werkend apparaat; beide zijn zeer belangrijke aspecten voor de efficiëntie van de perovskiet opto-elektronische apparaten, " voegt Shuxia Tao toe.