Hybride organische of anorganische halide-perovskieten zijn een unieke klasse van zonnecelmaterialen die enkele van de materiaalontwerpregels overtreden die al meer dan 30 jaar gelden. Bijvoorbeeld, ze kunnen buitengewoon hoge prestaties leveren, ondanks dat het rijk is aan defecten en wanordelijk is op macroscopische schaal.

Deze ongeordende kwaliteit staat in schril contrast met de meer traditionele anorganische halfgeleiders die momenteel worden gebruikt om elektronica te fabriceren. In aanvulling, hun morfologie maakt het veel moeilijker om ruimtelijke transportparameters te kwantificeren die essentieel zijn voor het optimaliseren van de structuren van apparaten.

De prestaties van halfgeleiderapparaten worden fundamenteel bepaald door de dynamiek van de ladingsdragers in de materialen. Hoewel veel onderzoekers hebben geprobeerd deze dynamiek beter te begrijpen, veel vragen blijven onbeantwoord.

Bijvoorbeeld, het ballistische transport van ladingsdragers (bijv. elektronen) door deze materialen, ook bekend als ballistische voortplanting, tot dusver werd gedacht dat het geen relevante rol speelde bij het mogelijk maken van het functioneren van fotovoltaïsche cellen (PV's) en lichtemitterende diodes. Dit komt omdat deze voortplanting snel wordt verstoord nadat de dragers zijn gegenereerd, via een proces dat verstrooiing wordt genoemd.

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Oxford heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd om meer te weten te komen over de dynamiek van ladingsdragers in perovskietmaterialen. hun studie, gepubliceerd in Natuurfysica , specifiek de spatiotemporele dynamiek van dragers onderzocht onmiddellijk nadat fotonen zijn geabsorbeerd door methylammonium-loodjodide-perovskietfilms.

"Interessant, hybride organisch-anorganische halogenide perovskieten materialen vertonen ook een rijke ultrasnelle dynamiek op de sub-200 fs tijdschaal, die tot nu toe grotendeels onontgonnen is gebleven, " vertelden de onderzoekers aan Phys.org, via e-mail. "We zochten daarom naar een directe sonde om het foto-geïnduceerde transportgedrag van ladingsdragers in deze materialen op de femtoseconde tijdschaal in combinatie met ruimtelijke precisie van nanometers te visualiseren."

Om de spatiotemporele dynamiek van dragers in methylammoniumloodjodide perovskietfilms te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een in de tijd opgeloste optische microscoop met extreme temporele resolutie en ruimtelijke precisie op nanometers. Ze gebruikten een zeer ruimtelijk beperkte pompstraal in de orde van 200 nm om het materiaal te exciteren, wat resulteerde in het genereren van geëxciteerde elektronen slechts binnen een klein gebied van hun monster.

"Door een losjes gefocuste sondestraal op het materiaal te leveren en de tijdvertraging ten opzichte van de pompstraal te variëren, de ruimtelijke dynamiek van de fotogegenereerde elektronenverdeling kan worden vastgelegd, " legden de onderzoekers uit. "Omdat we de veranderingen in de verdeling in de tijd vergelijken, de ruimtelijke precisie wordt niet beperkt door de optische diffractielimiet, maar door de meetprecisie."

De ruimtelijke precisie die door hun optische microscoop werd bereikt, stelde de onderzoekers in staat om dynamiek te onderscheiden op lengteschalen zo klein als tien nanometer in het materiaal. Met behulp van deze in de tijd opgeloste optische microscopietechniek, konden de onderzoekers de beweging van elektronen direct visualiseren, zelfs binnen enkele tientallen femtoseconden.

Hun studie verzamelde de eerste beeldgegevens die duidelijk de werking van perovskietmaterialen direct na fotonabsorptie aantoonden. Ze ontdekten dat onmiddellijk nadat fotonen zijn geabsorbeerd, elektronen in deze materialen bewegen extreem snel over een ongekende afstand.

"Na het opnemen van de film van foto-aangeslagen elektronen, we hebben de breedte van de elektronenverdeling bij elke momentopname gekwantificeerd en de gemiddelde kwadratische verplaatsing vastgelegd, " zeiden de onderzoekers. "Deze analyse biedt de mobiliteit van elektronen."

De onderzoekers zagen dat elektronen bewogen met een snelheid van 5 × 10 ⁶ Mevrouw ^-1 meer dan 150 nm, dat is bijna 1 procent van de lichtsnelheid boven 150 nm. Deze enorme snelheid houdt in dat in halide perovskieten elektronen op een golfachtige manier bewegen, zoals beschreven door theorieën in de kwantummechanica die de dualiteit van golven en deeltjes voorspellen.

"Dit is een zeer verrassend resultaat, omdat lang werd aangenomen dat het kwantummechanische gedrag van elektronen in zonnecellen zeer snel afbreekt en plaats maakt voor 'klassiek' gedrag, ', aldus de onderzoekers.

De waarnemingen kunnen belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën, omdat ze uiteindelijk oproepen tot een herevaluatie van de huidige theorieën over hoe zonnecellen werken, zowel die gemaakt van perovskieten als die vervaardigd met behulp van andere anorganische halfgeleiders. In feite, in tegenstelling tot de meeste eerdere onderzoeken, deze bevindingen suggereren dat kwantumgedrag aanwezig is in de meeste werkende zonnecellen.

"Nu we dit ongekende transportregime hebben ontdekt, we zullen naar andere materialen gaan kijken om te zien of er een universele ontwerpregel is die het uiterlijk van ballistisch transport dicteert, " zeiden de onderzoekers. "Als we zo'n universele verbinding tot stand kunnen brengen, het zou wel eens een transformatie kunnen blijken te zijn in de manier waarop we in de toekomst denken over het ontwerpen van zonnecellen."

© 2019 Wetenschap X Netwerk