Een nieuwe klasse van 2D-perovskietmaterialen met randen die geleidend zijn zoals metalen en kernen die isolerend zijn, werd gevonden door onderzoekers die zeiden dat deze unieke eigenschappen toepassingen hebben in zonnecellen en nano-elektronica.

"Deze waarneming van de metaalachtige geleidende toestanden aan de laagranden van deze 2D-perovskietmaterialen biedt een nieuwe manier om de prestaties van de volgende generatie opto-elektronica te verbeteren en innovatieve nano-elektronica te ontwikkelen, " zei Kai Wang, assistent-onderzoeksprofessor in materiaalkunde en engineering aan Penn State en hoofdauteur van het onderzoek.

Wang en een team van Penn State-onderzoekers deden de ontdekking tijdens het synthetiseren van loodhalogenide-perovskietmaterialen voor gebruik in zonnecellen van de volgende generatie. Perovskieten, materialen met een kristalstructuur goed in het absorberen van zichtbaar licht, zijn een aandachtsgebied bij de ontwikkeling van zowel stijve als flexibele zonnecellen die commercieel kunnen concurreren met traditionele cellen gemaakt met silicium. Deze 2D-perovskietmaterialen zijn goedkoper te maken dan silicium en kunnen even efficiënt zijn in het absorberen van zonlicht.

De bevindingen, gerapporteerd in wetenschappelijke vooruitgang , nieuwe inzichten te verschaffen in de lading en energiestroom in perovskietmaterialen, belangrijk voor de voortdurende vooruitgang van de technologie, zeiden de wetenschappers.

"Ik denk dat het mooie van dit werk is dat we een materiaal hebben gevonden dat aan de randen totaal andere eigenschappen heeft dan aan de kern, " zei Shashank Priya, hoogleraar materiaalkunde en techniek en associate vice-president voor onderzoek aan Penn State. "Het is heel ongebruikelijk dat de stroom langs de randen kan stromen en niet in het midden van een materiaal, en dit heeft enorme implicaties voor het ontwerp van zonnecelarchitecturen."

De 2-D perovskietmaterialen bestaan ​​uit dunne, afwisselend gestapelde organische en anorganische lagen. De organische lagen beschermen de anorganische lagen van loodhalogenidekristallen tegen vocht dat 3D-versies van het materiaal kan aantasten. Deze gelaagde structuur resulteert in een grote variatie in geleidbaarheid langs loodrechte en parallelle richtingen.

Met behulp van scan- en kaarttechnieken, de onderzoekers ontdekten dat scherpe randen van de 2-D eenkristallen buitengewoon grote vrije ladingsdragerdichtheid vertoonden.

"Dit werk onthult de duidelijke verschillen in opto-elektronische eigenschappen tussen de rand van de kristallaag en het kerngebied, die een hint kan geven voor het beantwoorden van andere belangrijke vragen op het gebied van opto-elektronica over deze 2D-perovskietmaterialen, ' zei Wang.

Onderzoekers zeiden dat de bevindingen de prestaties van zonnecellen en LED-technologie zouden kunnen verbeteren door extra oplaadpaden binnen de apparaten te bieden. De bevindingen openen ook de deur voor de ontwikkeling van innovatieve eendimensionale elektrische geleiding in nano-elektronica.

"Over de lengte van deze materialen, je hebt een verbinding tussen metaal en halfgeleider, en er zijn veel hypothetische apparaten voorgesteld op basis van die kruising, ' zei Priya.

Vanwege de sterke stroming aan de randen, 2-D perovskietkristallen kunnen ook een goede kandidaat zijn voor een tribo-elektrische nanogenerator, aldus de onderzoekers.

Nanogeneratoren zetten beweging om in elektrische energie, wat zou kunnen leiden tot draagbare technologie die telefoons en andere apparaten oplaadt met zowel lichte als mechanische energie en inputs.