I strävan att designa mer effektiva solceller och lysdioder (LED), ett team av ingenjörer har analyserat olika typer av defekter i halvledarmaterialet som gör det möjligt för sådana enheter att avgöra om och hur de påverkar prestandan.

Rohan Mishra, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, ledde ett utbrett team av forskare – inklusive Washington University, vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee och vid University of Missouri-Columbia - som studerade strukturen och egenskaperna hos de vanligt förekommande plana defekterna på atomär skala, som spänner över bara några tiondelar av en nanometer.

Mishras team studerade bly-halogenid perovskiter, en ny klass av högpresterande halvledare som utforskas för nästa generations lågkostnadssolceller för att möjliggöra omvandling av solenergi till el med hög effektivitet.

När dessa material tillverkas, defekter kan uppstå där olika kristaller möts, känd som korngränser. I konventionella halvledare, dessa defekter kan minska deras elektriska ledningsförmåga och effektiviteten för omvandling av solenergi till elektricitet; dock, i bly-halogenid perovskiter, det finns olika experimentella rapporter om korngränsernas aktivitet. I vissa fall, de visar sig vara skadliga, medan de i andra fall antingen inte har någon inverkan på prestanda eller till och med är fördelaktiga. Men, hittills, ingen förstod varför. Mishras team förklarade varför i Avancerade material , 3 dec.

"En liten defekt på atomär skala har en stor inverkan på solcellen, " sa Mishra. "Om en specifik atom saknas vid dessa korngränser, din cell kommer inte att fungera bra."

På Oak Ridge National Lab, Arashdeep Singh Thind, en doktorand vid Washington Universitys Institute of Materials Science &Engineering som arbetar i Mishras labb, utförde avbildningen med ett av de mest kraftfulla elektronmikroskopen för att titta på korngränsernas atomära struktur. Guangfu Luo, en före detta forskare i Mishras labb som är biträdande professor vid Southern University of Science and Technology i Shenzen, Kina, använde sedan kvantmekaniska beräkningar utförda på några av de snabbaste superdatorerna för att förstå de elektroniska egenskaperna hos dessa korngränser.

I kiselhalvledare, korngränser skapar förödelse, men i bly-halogenid perovskiter, de kanske inte. Och det beror på koncentrationen av halogenidjonerna, en kritisk del av fastigheterna.

"Om du odlar kristallerna i en halogenidfattig miljö, då är korngränserna fruktansvärda för prestation, "Mishra sa. "Men om du kan odla dem eller glödga [värma och kombinera] dem i en halidrik atmosfär, korngränserna är bra."

Thind tittade också på en annan typ av planfel som kallas Ruddlesden-Popper-fel, där kristallplanen staplas felaktigt; till exempel, istället för att stå uppradade i prydliga rader, en av raderna förskjuts något åt ​​vänster eller höger av en atomkolumn. På nytt, genom att använda kvantmekaniska beräkningar, Luo och Mishra fann att genom att ha en stor täthet av sådana staplingsfel, det kan vara möjligt att erhålla ljus optisk emission från stora och mer stabila nanopartiklar av vissa bly-halogenidperovskiter, vilket potentiellt kan bana väg för lysdioder med längre livslängd.

"Utmaningen för experimentalister är att konstruera stapling av fel på periodiska avstånd, " sa Mishra.

I relaterad forskning publicerad i ACS Applied Nano Materials 16 oktober, Mishras team arbetade med forskare från University of Missouri-Columbia, som hittade en ny kemisk väg för att främja tillväxten av blyhalogenidperovskiter med en hög täthet av sådana staplingsfel. Genom att ta bort ytligander, en jon eller molekyl som binder till en ytatom i en nanokristall, mindre bly-halogenid perovskit nanokristaller smälte samman och växte från cirka 8 nanometer till 60 nanometer på 48 timmar.

Dessa nya nanokristaller hade avsevärt förbättrade optiska egenskaper på grund av de staplingsfel som bildades under fusionsprocessen, som Thind hittade med hjälp av scanningselektronmikroskopi med atomupplösning. Dessutom, nanokristallerna var mer stabila när de exponerades för ljus, hade skarpare emissionslinjer och ett högre kvantutbyte. Med dessa defekter, de nya nanokristallerna förväntas förbättra ljusemissionsegenskaperna hos bly-halogenid perovskit nanokristaller, vilket resulterar i bättre lysdioder och andra optoelektroniska enheter.

Denna nya information ger ingenjörer som Mishra och Thind mer information för att hitta alternativ för bly i solceller, som inte bara innehåller giftigt bly, men är också instabila i ljus, fukt och värme och bryts ner på några dagar, läcker bly till grundvattnet. Mishra studerar om ett icke-toxiskt element - vismut, blys granne i det periodiska systemet – är ett säkrare och lika effektivt substitut för bly i perovskiter.