Een team van onderzoekers van het MIT en de Northwestern University heeft het vermogen aangetoond om de elektronische eigenschappen van hybride perovskietmaterialen te verfijnen. die enorme belangstelling hebben getrokken als potentiële opto-elektronische materialen van de volgende generatie voor apparaten zoals zonnecellen en lichtbronnen.

De materialen worden geclassificeerd als "hybride" omdat ze anorganische componenten bevatten zoals metalen, evenals organische moleculen met elementen zoals koolstof en stikstof, georganiseerd in lagen op nanoschaal. In een paper dat deze week online is gepubliceerd in Natuurchemie , toonden de onderzoekers aan dat door strategisch te variëren met de samenstelling van de organische lagen, ze konden de kleur van het licht dat door de perovskiet werd geabsorbeerd afstemmen en ook de golflengte waarop het materiaal licht uitstraalde. belangrijk, ze bereikten dit zonder de anorganische component substantieel te veranderen.

"Tot nu, het meeste experimentele en theoretische bewijs gaf aan dat de organische lagen eenvoudigweg fungeren als inerte afstandhouders waarvan de enige rol is om de elektronisch actieve anorganische lagen te scheiden, " zegt Will Tisdale, de ARCO Career Development Professor in Energy Studies aan het MIT en co-corresponderende auteur op het papier. "Deze nieuwe resultaten laten zien dat we de organische laag kunnen leren veel meer te doen."

"Ons laboratorium is geïnteresseerd in het ontwerp van nieuwe hybride materialen die anorganische en organische componenten combineren om synergetische eigenschappen te creëren, en dit is precies wat we hebben gedaan in dit werk aan de opwindende energiematerialen die bekend staan ​​als perovskieten, " zegt Samuel Stupp, Raad van Toezicht Hoogleraar Scheikunde, Materiaalkunde en techniek, Medicijn, en Biomedical Engineering bij Northwestern en co-corresponderende auteur op het papier.

Perovskieten, bijna 200 jaar geleden voor het eerst ontdekt als natuurlijk voorkomende mineralen in het Oeralgebergte, zijn de afgelopen tien jaar grondig onderzocht nadat was vastgesteld dat ze licht konden omzetten in bruikbare elektriciteit. Deze materialen worden beschouwd als een mogelijke sleutel tot een duurzame energietoekomst omdat ze minder duur zijn om te produceren dan de populaire zonnecellen op siliciumbasis, en kan licht bijna net zo efficiënt omzetten in elektriciteit.

Echter, perovskiet-zonnecellen zijn veel minder duurzaam en stabiel in buitenomstandigheden vanwege hun gevoeligheid voor warmte en vocht. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat het splitsen van de traditionele 3D-structuur van perovskieten in vele dunne lagen - variërend van enkele atomen dik tot tientallen atomen dik - de stabiliteit en prestaties verbetert.

In gelaagde perovskieten, de anorganische laag absorbeert licht en produceert de ladingen die uiteindelijk nodig zijn om elektrische energie te produceren. De organische lagen zijn typisch isolerend en werken als gigantische muren die voorkomen dat de door licht gegenereerde ladingen uit de anorganische laag bewegen.

"Deze samenwerking was opwindend omdat de materialen die de Stupp-groep ons vanuit Northwestern stuurde precies in overeenstemming waren met de vragen die we aan het MIT stelden, over hoe excitonen in de anorganische lagen van de perovskiet kunnen worden beïnvloed door de eigenschappen van de organische lagen, " zegt Katie Mauck, een voormalig postdoc in de Tisdale-groep en nu een assistent-professor scheikunde aan het Kenyon College. Samen met James Passarelli, een afgestudeerde student in de Stupp-groep, ze is een co-eerste auteur van het papier. "James' modulaire benadering van de perovskietsynthese stelde ons in staat om de interactie tussen deze lagen controleerbaar af te stemmen en de effecten op de excitondynamiek diepgaand te bestuderen, door spectroscopie in het Tisdale-lab."

"Als licht wordt geabsorbeerd door halfgeleiders zoals perovskieten, elektronen met hun negatieve lading krijgen energie en gaan weg, Stupp zegt. "Dit zorgt voor een aantrekkingskracht met de positief geladen sites die ze achterlaten, omdat de materie neutraal wil zijn. We waren in staat om de grootte van deze kracht te beheersen door specifieke soorten moleculen op te nemen in de organische lagen, wat op zijn beurt hun interessante eigenschappen wijzigt."

De Northwestern-MIT-samenwerking begon na een toevallige ontmoeting tussen Mauck en een lid van het Stupp-lab op een wetenschappelijke conferentie in de zomer van 2018. Het Stupp-laboratorium had eerder baanbrekend werk verricht op het gebied van de synthese van anorganisch-organische hybride materialen voor mogelijke toepassingen in energie en geneeskunde, terwijl de Tisdale-groep gespecialiseerd is in het gebruik van lasers om de eigenschappen van nanomaterialen te onderzoeken.

Deze belangen overlapten perfect voor dit project, terwijl de Stupp-groep de hybride perovskietstructuren ontwikkelde en de Tisdale-groep de precieze spectroscopische metingen uitvoerde die nodig waren om de interacties binnen de systemen te bevestigen.

In de toekomst, het vermogen om de elektronische eigenschappen van deze materialen te verfijnen, zou kunnen worden toegepast op verschillende optische of elektronische sensoren, waaronder moleculaire sensoren die profiteren van de aanwezigheid van organische lagen, evenals op zonnecellen en lichtdetectoren.

"Naast een pad naar verbeterde opto-elektronische apparaten, dit werk onderstreept enkele van de unieke voordelen van halfgeleiders op nanoschaal, die gevoeliger zijn voor hun omgeving dan bulkmaterialen, Tisdale zegt. "De lessen die we hebben geleerd in de context van hybride gelaagde perovskieten kunnen worden uitgebreid tot veel andere opkomende materialen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.