In een zonnecel, wanneer het zonlicht het materiaal raakt, er wordt een lading gegenereerd. specifiek, deze lading komt overeen met een elektron-gatpaar, waar een elektron wordt geëxciteerd naar de geleidingsband, een gat in de valentieband achterlatend. Om de cellen efficiënt te laten zijn, dit paar ladingen moet zo efficiënt mogelijk worden gescheiden en geëxtraheerd (elektron en gat moeten naar tegenovergestelde elektroden worden geleid om te worden opgevangen) om een ​​elektrische stroom te genereren. Dit is waar ferro-elektriciteit in het spel komt:deze eigenschap zou een ingebouwd elektrisch veld in het materiaal genereren dat zou kunnen helpen bij het scheiden van lading.

In het specifieke geval van loodhalogenideperovskieten, ferro-elektriciteit zou kunnen helpen begrijpen waarom ze zo goed werken als actief materiaal in zonnecellen, En in feite, dat was tot nu toe een plausibele verklaring. Echter, de studie gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen door onderzoekers van het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB-CSIC) en het Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Duitsland) aantonen, Voor de eerste keer, dat het feit dat deze materialen optimaal zijn voor zonnecellen niet te wijten is aan ferro-elektriciteit. "Dit werk is erg interessant om te begrijpen waarom deze cellen zo efficiënt zijn, " zegt Andrés Gómez, onderzoeker bij de ICMAB-CSIC en eerste auteur van het artikel. We zullen moeten blijven zoeken naar het definitieve antwoord.

Het geheim:de nieuwe techniek die wordt gebruikt

De techniek die wordt gebruikt om de non-ferro-elektriciteit van loodhalogenideperovskieten op te helderen, is de DPFM-techniek (directe piëzo-elektrische krachtmicroscopie). Een octrooiaanvraag die de karakterisering van de techniek beschrijft, werd in 2017 ingediend door ICMAB-CSIC-onderzoekers. "Tot nu toe was er slechts één geavanceerde modus van atoomkrachtmicroscopie (AFM), piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM) genaamd, om de ferro-elektriciteit van deze monsters te bestuderen. deze modus heeft veel controverse veroorzaakt, omdat het niet betrouwbaar genoeg is om onderscheid te maken tussen een ferro-elektrisch materiaal en een materiaal dat dat niet is. Hoewel het mogelijk is om ferro-elektriciteit te meten met PFM, andere effecten kunnen een vals signaal geven, foutieve resultaten krijgen, ", legt Gomez uit.

Echter, de DPFM-techniek, geïntroduceerd in 2017 op de ICMAB-CSIC, complementair aan PFM, meet het piëzo-elektrische effect op een directe manier en maakt het mogelijk om duidelijk te onderscheiden of een monster ferro-elektrisch is of niet. De techniek produceert geen valse signalen, omdat het veel meetartefacten uitsluit omdat via het piëzo-elektrische effect een mechanische energie strikt proportioneel direct wordt omgezet in elektrische energie. Dit feit is van fundamenteel belang om het bestaan ​​van ferro-elektriciteit in loodhalogenideperovskieten te kunnen onderzoeken, een onderwerp waarover al jaren wordt gedebatteerd.

Voor deze studie is polykristallijne monsters van loodhalogenideperovskieten en monsters van andere materialen met bekende ferro-elektriciteit die als controle werden gebruikt, werden geanalyseerd, en experimenten werden uitgevoerd met perovskieten met verschillende eigenschappen (korrelgrootte, laagdikte, verschillende ondergronden, verschillende texturen, enz.) met behulp van PFM en DPFM, en zelfs EFM (elektrostatische krachtmicroscopie).

Dit is de eerste keer dat de DPFM-techniek is gebruikt in loodhalogenide-perovskiet-zonnecellen. "Geen enkele andere onderzoeksgroep is in staat geweest, met resolutie op nanometerschaal, om op te helderen of deze cellen echt ferro-elektrisch zijn of niet, " zegt Gómez. Nu weten we het.