I en solcell, när solljuset påverkar materialet, en avgift genereras. Specifikt, denna laddning motsvarar ett elektronhålspar, där en elektron exciteras till ledningsbandet, lämnar ett hål i valensbandet. För att cellerna ska vara effektiva, detta par av laddningar måste separeras och extraheras så effektivt som möjligt (elektron och hål måste riktas mot motsatta elektroder för att fångas upp) för att generera en elektrisk ström. Det är här ferroelektricitet spelar in:den här egenskapen skulle generera ett inbyggt elektriskt fält i materialet som kan hjälpa till med laddningsseparering.

I det särskilda fallet av blyhalogenidperovskiter, ferroelektricitet kan hjälpa till att förstå varför de fungerar så bra som aktivt material i solceller, och faktiskt, det var en rimlig förklaring hittills. Dock, studien publicerad i Energi- och miljövetenskap av forskare från Institute of Materials Science of Barcelona (ICMAB-CSIC) och Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Tyskland) visar, för första gången, att det faktum att dessa material är optimala för solceller inte beror på ferroelektricitet. "Detta arbete är mycket intressant för att förstå varför dessa celler är så effektiva, "säger Andrés Gómez, forskare vid ICMAB-CSIC och första författare till artikeln. Vi måste fortsätta leta efter det slutliga svaret.

Hemligheten:Den nya tekniken som används

Tekniken som används för att belysa icke-ferroelektriciteten hos blyhalogenidperovskiter är DPFM-tekniken (direkt piezoelektrisk kraftmikroskopi). En patentansökan som beskriver teknikens karakterisering lämnades in 2017 av ICMAB-CSIC-forskare. "Hittills fanns det bara ett avancerat sätt för atomkraftsmikroskopi (AFM) som kallas piezoresponse force microscopy (PFM) för att studera ferroelektriciteten hos dessa prover. Men detta läge har orsakat mycket kontroverser, eftersom det inte är tillräckligt tillförlitligt för att skilja mellan ett ferroelektriskt material och ett som inte är det. Även om det är möjligt att mäta ferroelektricitet med PFM, andra effekter kan ge en falsk signal, att få felaktiga resultat, "förklarar Gómez.

Dock, DPFM -tekniken, introducerades 2017 på ICMAB-CSIC, komplement till PFM, mäter den piezoelektriska effekten på ett direkt sätt och låter en tydligt urskilja om ett prov är ferroelektriskt eller inte. Tekniken ger inte falska signaler, eftersom det utesluter många mätartefakter eftersom via den piezoelektriska effekten en mekanisk energi direkt omvandlas till elektrisk energi på ett strikt proportionellt sätt. Detta faktum är grundläggande för att kunna undersöka förekomsten av ferroelektricitet i blyhalogenidperovskiter, en fråga som har diskuterats i flera år.

För denna studie, polykristallina prover av blyhalogenidperovskiter och prover av andra material med känd ferroelektricitet som används som kontroll analyserades, och experiment utfördes med perovskiter med olika egenskaper (kornstorlek, skikttjocklek, olika underlag, olika texturer, etc) med PFM och DPFM, och även EFM (elektrostatisk kraftmikroskopi).

Detta är första gången som DPFM -tekniken har använts i perovskit -solceller med blyhalogenid. "Ingen annan forskargrupp har kunnat med nanometer-upplösning, för att belysa om dessa celler verkligen är ferroelektriska eller inte, "säger Gómez. Nu vet vi.