Loodhalogenideperovskieten (bijv. MAPbI₃ ) zijn een opkomende familie van halfgeleidermaterialen met uitstekende opto-elektronische eigenschappen die bij uitstek geschikt zijn voor fotovoltaïsche en lichtemitterende toepassingen. Aanzienlijke ionenmigratie is gemeld in deze materialen en is een van de belangrijkste mechanismen die verantwoordelijk zijn voor afwijkende IV-hysterese en slechte stabiliteit in de perovskiet-zonnecellen.

In het bijzonder vertonen gemengde halide-perovskieten verder door licht geïnduceerde "segregatie" van halide-anionen onder continue belichting boven de bandgap, en het proces is omkeerbaar wanneer de belichting wordt verwijderd. Dit fenomeen van segregatie wordt algemeen gezien als een nadelig effect op de opto-elektronische toepassingen en moet worden onderdrukt.

Het meest waargenomen effect van de ionensegregatie is de roodverschuiving in fotoluminescentie (PL) piek van de verwachte golflengte voor de legering naar die van een significant hogere samenstelling van jodium. Algemeen wordt beweerd dat een uniforme legering MAPbI_1-x Br_x zou scheiden in jodiumrijke en broomrijke domeinen binnen het verlichte gebied.

Een aantal microscopische mechanismen zijn voorgesteld om het fenomeen te verklaren. Geen van hen kan echter alle belangrijke aspecten van het fenomeen ondubbelzinnig verklaren. In feite zijn de chemische en structurele kenmerken van de zogenaamde "Br-rijke" en "I-rijke" regio's nog niet goed begrepen, hoewel impliciet wordt aangenomen dat ze respectievelijk eenvoudig Br-rijke en I-rijke legeringen zijn.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications door wetenschappers van Empa-Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Zwitserland, de Universiteit van North Carolina in Charlotte, VS, en Tsinghua University, China hebben ontdekt dat de segregatie van anionen in de gemengde halogenidelegering een niet-lokaal effect is waarvan het ion herverdeling kan plaatsvinden op een macroscopische of mesoscopische schaal ver buiten het verlichte gebied in een schaal die evenredig is aan de grootte van de verlichtingsbundel, tot ruim boven mm. Dit werk biedt een volledig nieuw perspectief op de algemeen aangenomen foto-geïnduceerde "on-site" anionsegregatie in gemengde halogenide-perovskietlegeringen.

De auteurs stellen dat "in het bijzonder vinden we dat onder verlichting, binnen het verlichtingsgebied, de PL-piek rood verschoven is van de oorspronkelijke positie; terwijl tegelijkertijd, buiten het verlichte gebied, de legering PL-piek sterk wordt versterkt in een ringgebied dat de verlicht gebied. Bovendien is het proces omkeerbaar, maar niet-monotoon, en vertoont het ultralage frequentie gedempte oscillaties tussen de ring en het midden in termen van PL-intensiteit en positie."

"Deze verrassende waarnemingen kunnen worden verklaard doordat vrije Br-ionen uit het verlichte gebied worden verdreven, wat resulteert in een positief geladen gebied en tegelijkertijd een negatief geladen Br-rijke ring vormt, beide buiten de stoichiometrie van de oorspronkelijke legering. Dit fenomeen kan worden gezien als een ionische analogie van een mesoscopische PL-ringformatie weg van de verlichte plaats in GaAs/AlGaAs-kwantumbronnen, als gevolg van de ongelijkheid in de elektronen- en gatdiffusielengtes en dus hun ruimtelijke profielen, "voegden ze eraan toe.

De auteurs suggereren dat het eigenaardige oscillerende gedrag een oscillatie van ionisch plasma of ionisch plasmon zou kunnen weerspiegelen, wat niet is gerapporteerd in vaste stoffen. Naast de bredere implicaties buiten het veld van de halogenide-perovskieten, bieden deze bevindingen nieuwe inzichten in het onderliggende mechanisme van de ionenscheiding in de gemengde halogenidelegeringen, waardoor het niet noodzakelijk een nadelig fenomeen is om te onderdrukken, maar iets dat potentieel nuttig is, bijvoorbeeld voor energie opslag. Als veelbelovende demonstratie werd een spanning van ongeveer 0,4 V gemeten tussen het midden en de ring, wat wijst op de mogelijkheid van een batterij die direct door licht kan worden opgeladen. + Verder verkennen

Chemicus zoekt naar antwoorden op waarom veelbelovend materiaal van zonnecellen snel degradeert