Door laserspectroscopie te gebruiken in een fotofysisch experiment, Onderzoekers van de Clemson University hebben nieuwe wegen ingeslagen die zouden kunnen resulteren in snellere en goedkopere energie voor het aandrijven van elektronica.

Deze nieuwe benadering, met behulp van oplossing verwerkt perovskiet, is bedoeld om een ​​revolutie teweeg te brengen in een verscheidenheid aan alledaagse voorwerpen zoals zonnecellen, LED's, fotodetectoren voor smartphones en computerchips. Oplossingsverwerkt perovskiet is de volgende generatie materialen voor zonnecelpanelen op daken, Röntgendetectoren voor medische diagnose, en LED's voor dagelijkse verlichting.

Het onderzoeksteam omvatte een paar afgestudeerde studenten en een niet-gegradueerde student die worden begeleid door Jianbo Gao, groepsleider van de groep Ultrafast Photophysics of Quantum Devices (UPQD) in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van het College of Science.

Het gezamenlijke onderzoek werd op 12 maart gepubliceerd in het high-impact tijdschrift Natuur Communicatie. Het artikel is getiteld "In-situ observatie van gevangen dragers in organische metaalhalide perovskietfilms met ultrasnelle temporele en ultrahoge energetische resoluties."

De hoofdonderzoeker was Gao, die een assistent-professor in de fysica van de gecondenseerde materie is. De co-auteurs waren onder meer afgestudeerde studenten Kanishka Kobbekaduwa (eerste auteur) en Pan Adhikari van de UPQD-groep, evenals niet-gegradueerde Lawrence Coleman, een senior op de afdeling natuurkunde.

Andere auteurs van Clemson waren Apparao Rao, de R.A. Bowen hoogleraar natuurkunde, en Exian Liu, een bezoekende student uit China die onder Gao werkt.

"Perovskietmaterialen zijn ontworpen voor optische toepassingen zoals zonnecellen en LED's, " zei Kobbekaduwa, een afgestudeerde student en eerste auteur van het onderzoeksartikel. "Het is belangrijk omdat het veel gemakkelijker te synthetiseren is in vergelijking met de huidige op silicium gebaseerde zonnecellen. Dit kan worden gedaan door oplossingsverwerking, terwijl in silicium, je moet andere methoden hebben die duurder en tijdrovender zijn."

Het doel van het onderzoek is om materialen efficiënter te maken, goedkoper en gemakkelijker te produceren.

De unieke methode die door Gao's team werd gebruikt - gebruikmakend van ultrasnelle fotostroomspectroscopie - zorgde voor een veel hogere tijdresolutie dan de meeste methoden, om de fysica van de opgesloten dragers te definiëren. Hier, de inspanning wordt gemeten in picoseconden, die een biljoenste van een seconde zijn.

"We maken apparaten met dit (perovskiet) materiaal en we gebruiken een laser om er licht op te laten schijnen en de elektronen in het materiaal te exciteren, ' zei Kobbekaduwa. 'En dan door een extern elektrisch veld te gebruiken, we genereren een fotostroom. Door die fotostroom te meten, we kunnen mensen de kenmerken van dit materiaal echt vertellen. In ons geval, we definieerden de gevangen staten, dat zijn defecten in het materiaal die van invloed zijn op de stroom die we krijgen."

Zodra de fysica is gedefinieerd, onderzoekers kunnen de defecten identificeren, die uiteindelijk leiden tot inefficiëntie in de materialen. Wanneer de gebreken worden verminderd of gepassiveerd, dit kan leiden tot een verhoogde efficiëntie, wat van cruciaal belang is voor zonnecellen en andere apparaten.

Aangezien materialen worden gemaakt via oplossingsprocessen zoals spincoating of inkjetprinten, de kans op het introduceren van defecten neemt toe. Deze lage temperatuur processen zijn goedkoper dan ultra hoge temperatuur methoden die resulteren in een puur materiaal. Maar de afweging is meer defecten in het materiaal. Het vinden van een balans tussen de twee technieken kan resulteren in hoogwaardigere en efficiëntere apparaten tegen lagere kosten.

De substraatmonsters zijn getest door met een laser op het materiaal te schieten om te bepalen hoe het signaal zich erdoorheen voortplant. Het gebruik van een laser om de monsters te verlichten en de stroom te verzamelen, maakte het werk mogelijk en onderscheidde het van andere experimenten die geen gebruik maken van een elektrisch veld.

"Door die stroom te analyseren, we kunnen zien hoe de elektronen bewogen en hoe ze uit een defect komen, "Zei Adhikari van de UPQD-groep. "Het is alleen mogelijk omdat onze techniek ultrasnelle tijdschaal en in-situ apparaten onder een elektrisch veld omvat. Zodra het elektron in het defect valt, degenen die experimenteren met andere technieken kunnen dat er niet uit halen. Maar we kunnen het uitschakelen omdat we het elektrische veld hebben. Elektronen hebben lading onder het elektrische veld, en ze kunnen van de ene plaats naar de andere gaan. We zijn in staat om hun transport van het ene punt naar het andere in het materiaal te analyseren."

Dat transport en het effect van materiaaldefecten daarop kan van invloed zijn op de prestaties van die materialen en de apparaten waarin ze worden gebruikt. Het maakt allemaal deel uit van de belangrijke ontdekkingen die studenten doen onder begeleiding van hun mentor, het creëren van rimpelingen die zullen leiden tot de volgende grote doorbraak.

"De studenten leren niet alleen; ze doen ook daadwerkelijk het werk, " Gao zei. "Ik heb het geluk dat ik getalenteerde studenten heb die - wanneer ze worden geïnspireerd door uitdagingen en ideeën - invloedrijke onderzoekers zullen worden. Dit maakt allemaal deel uit van de belangrijke ontdekkingen die studenten doen onder begeleiding van hun mentoren, het creëren van rimpelingen die zullen leiden tot de volgende grote doorbraak. We zijn ook erg dankbaar voor de sterke samenwerkingen met Shreetu Shrestha en Wanyi Nie, die top materiaalwetenschappers zijn van het Los Alamos National Laboratory."