Onderzoek geleid door natuurkundigen van de Universiteit van Texas in Dallas heeft het begrip van de fundamentele eigenschappen van perovskietkristallen veranderd, een klasse van materialen met een groot potentieel als zonnecellen en lichtstralers.

Gepubliceerd in juli in Natuurcommunicatie , de studie presenteert bewijs dat bestaande modellen van het gedrag van perovskieten op kwantumniveau in twijfel trekt.

"Ons beter begrip van de fysica van perovskieten zal helpen bepalen hoe ze het best kunnen worden gebruikt, " zei Dr. Anton Malko, universitair hoofddocent natuurkunde aan de School of Natural Sciences and Mathematics en een corresponderende auteur van het artikel.

De term perovskiet verwijst in grote lijnen naar mineralen met dezelfde specifieke kristalstructuur als de verbinding die oorspronkelijk de naam perovskiet droeg:calciumtitanaat.

"In elk puur kristal, atomen zijn op een zeer ordelijke manier gerangschikt, " zei dr. Riya Bose, postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de natuurkunde die de monsters voor het onderzoek heeft voorbereid. "Duizenden materialen kunnen worden gedefinieerd als perovskieten door hun specifieke structuur. Bepaalde soorten hiervan zijn uitstekende kandidaten voor zonnecellen of lichtemitters."

Perovskietonderzoek is relatief jong, beginnend met fotovoltaïsche studies die ongeveer tien jaar geleden werden gepubliceerd. Ter vergelijking, silicium zonnecellen zijn gedurende vele decennia verfijnd.

"Silicium zonnecellen, zoals die je nu kunt kopen, de afgelopen decennia efficiënter zijn geworden, sterk toegenomen na de jaren zestig, "Zei Malko. "De efficiëntie van vandaag ligt op ongeveer 20 procent, " wat betekent dat een vijfde van de energie van het invallende licht door zonnecellen wordt omgezet in elektriciteit.

Omdat perovskieten een nieuwer onderzoeksonderwerp zijn, er is nog veel onbekend over waarom ze zich gedragen zoals ze doen.

"Wat is bekend, echter, is dat perovskieten de hoogste efficiëntie bereikt met silicium al overschrijden, "Zei Malko. "Ze zijn ook gemakkelijk te maken en zijn erg goedkoop in vergelijking met silicium."

Wat perovskiet tegenhoudt, is de instabiliteit ervan; een perovskiet-zonnecel zou binnen enkele weken vervangen moeten worden.

"Een zonnecel die snel afbreekt onder zonlicht is duidelijk nutteloos, " zei Malko. "Een siliciumcel kan 20 jaar meegaan. Met perovskiet, levensduur wordt gemeten in honderden uren. Maar zelfs dat vertegenwoordigt vooruitgang vanaf het vroegste onderzoek. Nutsvoorzieningen, we zijn overgestapt op het werken met anorganische perovskieten, die dat leven zou moeten verlengen."

Veel materialen met een goede lichtabsorptie zijn ook goed in het opnieuw uitstralen van dat licht. Malko's werk was gericht op het lichtuitstralende gedrag van perovskieten op nanodeeltjesniveau.

"De kwantumopbrengst voor sommige perovskietdeeltjes is bijna 100%, wat betekent dat ze super helder zijn, " zei hij. "We gingen op zoek naar de specifieke bron van deze luminescentie."

Vóór Malko's studie, het wijdverbreide model was dat binnen perovskieten, zoals in veel andere halfgeleiders, licht wordt uitgezonden door excitonen:gebonden toestanden van negatieve en positieve ladingen, respectievelijk elektronen en gaten genoemd. Excitaties kunnen zich over grote afstanden in het materiaal verplaatsen.

Volgens dit model is als de grootte van het materiaal krimpt, de excitonen zouden meer beperkt moeten worden in hun beweging, een proces dat kwantumopsluiting wordt genoemd. Dit zou moeten resulteren in veranderingen in de golflengte, of kleur, licht geabsorbeerd of uitgestraald.

Met behulp van enkele deeltjes spectroscopie om perovskiet nanodeeltjes te observeren, de wetenschappers wilden weten wat individuele excitonen aan het doen waren. Bij het testen van de conventionele wijsheid, ze hebben het weerlegd.

"We hebben waargenomen dat perovskietlicht opmerkelijk consistent is, "Zei Malko. "Ondanks het onderzoeken van een breed scala aan maten, van 9 tot 30 nanometer, de emissiegolflengte - de kleur van het licht - was onveranderd in de op cesium gebaseerde perovskietmonsters, " zei hij. "Het uitgestraalde licht was een specifiek groen, ongeacht de grootte van het waargenomen materiaal."

Wat Malko, Bose en hun collega's ontdekten - zowel in perovskieten met interne driedimensionale kristalroosters als in nuldimensionale - was dat de lichtemissie op het niveau van enkele nanodeeltjes meer leek op licht van individuele, sterk gelokaliseerde moleculaire excitaties in plaats van mobiele elektronen en gaten. Verder graven, de onderzoekers stelden vast dat de bron van het uitgestraalde licht nauw verbonden was met de vacaturesites van het bromideatoom in de perovskieten.

"Deze bevindingen zijn in tegenspraak met het kwantumopsluitingsmodel, wat zou dicteren dat de bron van luminescentie in deze perovskieten afkomstig is van excitonen die zijn gedelokaliseerd over nanodeeltjes, "Zei Malko. "Perovskieten van elke grootte zullen dit gedrag vertonen."

Aanvullend, in het geval van kwantumopsluiting, blootstelling aan intenser licht zou meer excitonen creëren met ander gedrag en emissie-eigenschappen. In de op cesium gebaseerde perovskiet nanodeeltjes, echter, verbeterde fotonenoutput werd gekenmerkt door vergelijkbare emissieparameters.

"Dit is dramatisch anders dan de eerdere opvattingen van de gemeenschap, "Zei Malko. "Het heersende vooroordeel met betrekking tot kwantumopsluiting is moeilijk te vervangen."

Malko beschreef het onderzoek als een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de emissie-eigenschappen van perovskietmaterialen. Nog altijd, een aantal problemen moet worden opgelost voordat ze in de praktijk kunnen worden geïmplementeerd, voornamelijk het levensduurprobleem.

"Als iemand een manier vindt om perovskieten meerdere jaren mee te laten gaan, Ik voorspel dat er tientallen bedrijven zullen zijn die perovskiet-zonnecellen en lichtgevende apparaten zullen maken, " hij zei.