Veel hypothesen proberen de bijzonder gunstige eigenschappen van perovskiet-halfgeleiders voor zonnecellen te verklaren. Polarons of een gigantisch Rashba-effect zouden bijvoorbeeld een grote rol spelen. Een team van BESSY II heeft deze hypothesen nu experimenteel weerlegd. Daarbij beperken ze de mogelijke oorzaken van de transporteigenschappen verder en maken ze betere benaderingen mogelijk voor de gerichte optimalisatie van deze materiaalklasse.

Onderzoek naar anorganische en hybride organische loodhalogenide-perovskieten is al enkele jaren booming. Deze materiaalklasse heeft buitengewoon interessante eigenschappen:sommige perovskiet-halfgeleiders zetten bijvoorbeeld ook het energierijke blauwe spectrum van zonlicht om in elektrische energie, zodat zonnecellen op basis van perovskieten in combinatie met siliciumsubcellen nu een efficiëntie van 30% behalen. Perovskiet-halfgeleiders zijn ook geschikt voor lichtemitterende diodes, als halfgeleiderlasers en stralingsdetectoren. In tegenstelling tot conventionele halfgeleiders kunnen deze materialen goedkoop en met weinig energie worden geproduceerd uit oplossingen om dunne films op te leveren.

Maar zelfs na jaren van intensief onderzoek worden de microscopische processen in perovskiethalfgeleiders die zorgen voor superieur ladingstransport niet in detail begrepen. Het enige dat duidelijk is, is dat de ladingsdragers die door zonlicht in het materiaal vrijkomen blijkbaar een lange levensduur hebben en minder vaak verloren gaan, bijvoorbeeld bij defecten of door recombinatie.

Onderzoekers hebben hypothesen ontwikkeld om dit gedrag te verklaren, die een team van BESSY II nu experimenteel heeft getest. Het team onder leiding van prof. Oliver Rader werd geadviseerd door perovskiet-expert prof. Eva Unger van de HZB, die ook de faciliteiten in het HySPRINT-laboratorium voor monstervoorbereiding leverde.

Polarons

Een hypothese is dat polaronen zich vormen in loodhalogenideperovskieten en bijdragen aan het ladingstransport. Dergelijke polarons zijn oscillaties van ionen in het kristalrooster die vanwege hun lading reageren op de beweging van elektronen. Aangezien perovskieten bestaan ​​uit negatieve (hier lood) en positieve ionen (hier cesium), lag de aanname dat polaronen een rol spelen voor de hand. Metingen door een andere groep leken deze hypothese ook te ondersteunen.

ARPES-gegevens:geen grote polarons

Bij BESSY II kan deze hypothese echter experimenteel in detail worden getest. Met hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) is het mogelijk om de elektronische bandstructuren te scannen. Een groot aandeel polaronen in het ladingstransport zou duidelijk worden door een hogere effectieve massa. ARPES meet de kinetische energie van de elektronen, d.w.z. 1/2 mv ² met massa m en snelheid v. Hoe "taaier" het elektronentransport, hoe hoger de zogenaamde "effectieve" massa m. Aangezien het momentum p =mv is, komt de formule overeen met een parabool E =(p ² )/(2m) die direct in het experiment wordt gemeten (zie figuur):hoe groter m, hoe kleiner de kromming van de parabool.

De metingen die Maryam Sajedi heeft uitgevoerd op kristallijne monsters van CsPbBr₃ vertoonde geen kleinere krommingen, waardoor de hypothese van grote polarons werd weerlegd. "De effectieve massa die we uit de meting hebben bepaald, is niet groter dan theoretisch voorspeld", zegt Maryam Sajedi. En Oliver Rader legt uit:"Om ervoor te zorgen dat we rekening hielden met alle mogelijke effecten behalve polaronen, bijvoorbeeld de afstoting van de elektronen van elkaar, werkten we samen met theoretici van Forschungszentrum Jülich. Er is echter geen verhoogde massa in de experiment waarvoor men polaronen zou moeten postuleren."

Geen gigantisch Rashba-effect

De tweede hypothese gaat uit van een gigantisch Rashba-effect om de verliezen als gevolg van recombinatie van ladingsdragers te beperken. Het Rashba-effect is gebaseerd op een sterke spin-baankoppeling die zou kunnen worden geproduceerd in loodhalogenide-perovskieten door het zware metaal lood. Nogmaals, eerder werk wees op dit effect als een mogelijke verklaring voor de lange levensduur van de ladingsdragers. Maryam Sajedi onderzocht monsters van beide anorganische CsPbBr₃ en hybride-organische MAPbBr₃ met spin ARPES en analyseerde de meetgegevens. "Dit effect is minstens honderd keer kleiner dan aangenomen", zegt ze over het resultaat.

Vervalsing helpt vooruitgang

"We hebben twee veelvoorkomende hypothesen over de transporteigenschappen in perovskieten experimenteel kunnen weerleggen, wat een belangrijk resultaat is", zegt Rader. Het elimineren van ongeldige hypothesen is zeer nuttig voor de verdere optimalisatie van die materialen. + Verder verkennen

Begrijpen hoe elektrische ladingen zich in perovskieten gedragen, kan hun prestaties helpen verbeteren