Metallhalogenidperovskiter utgör en populär klass av material med spännande optoelektroniska egenskaper. En grundläggande förståelse för variationerna i energinivåernas positioner, som en funktion av materialsammansättningen, saknas, dock. Forskare från TU/e ​​och universitetet i Köln har utvecklat en ny metod för att bestämma de absoluta energinivåpositionerna för alla primära perovskiter, och ge förklaringar till variationerna i dessa positioner.

Materialklassen för halogenidperovskiter (AMX3, där A är en alkalikatjon, eller en organisk katjon, såsom metylamin (MA) eller formamidin (FA); B är bly eller tenn; X är en halogenid) har väckt enorm uppmärksamhet i forskarvärlden nyligen, på grund av genombrott inom perovskitoptoelektronik, främst inom solceller och lysdioder. Genom att byta ut eller blanda olika joner i perovskitkristallen, det är möjligt att ställa in det optiska gapet för dessa halvledare, möjliggör en optimal överlappning med solspektrumet i absorption eller en inställbar våglängd för emission. Förändringarna i bandgap är väl karakteriserade. Dock, det underliggande fysiska ursprunget till dessa förändringar, skiftningarna i positionerna för valensbandets maximala (VBM) och ledningsbandets minimum (CBM), är okända. Att känna till dessa positioner är också avgörande för att utforma kontaktlager som effektivt kan injicera/extrahera laddningsbärare in i/från dessa perovskiter, som krävs i optoelektroniska enheter, eller för att designa flerlagers heterojunktionsanordningar med rätt bandförskjutningar mellan lagren.

"Vi var intresserade av att förstå det komplexa samspelet mellan några subtila men ändå korrelerade faktorer när vi kombinerar olika typer av joner i perovskitkristallstrukturen, " förklarar Shuxia Tao, Assis. Prof. från Center of Computational Energy Research (CCER) of Applied Physics, TU/e. Tillsammans med Selina Olthof, experimentell fysiker från universitetet i Köln, hennes team började för ungefär två år sedan för att ta itu med detta problem, genom att inleda en storskalig experimentell och teoretisk undersökning av alla primära halogenidperovskiter (totalt 18 material).

Positionerna för VBM och CBM kan mätas, i princip, genom fotoemissionsspektroskopi (PES), och invers fotoemissionsspektroskopi (IPES), respektive. Hittills, PES/IPES-studier har rapporterat ganska olika värden för VBM- och CBM-positionerna, dock, även för vanliga perovskitmaterial, eftersom dessa positioner är känsliga för variationer i vanliga datautvärderingsprotokoll.

Genom att kombinera densitetsfunktionsteori (DFT) beräkningar och PES/IPES-data, forskarna har utvecklat en tillförlitlig metod som kan fastställa en konsekvent och korrekt uppsättning av VBM- och CBM-data för alla 18 perovskiter. Ytterligare, genom att använda en kristallorbital Hamiltonian population (COHP) -analys (Junke Jiang, Ph.D. kandidat vid CCER), och utveckla en tätt bindande modell (Prof. Geert Brocks, CCER), forskarna kan förklara det underliggande ursprunget till de trender som observerats i perovskitens energinivåpositioner i termer av energinivåerna för de individuella katjonerna och anjonerna, och hybridiseringen mellan motsvarande atomtillstånd.

"Genom att kombinera flera teoretiska och experimentella metoder, vi har skapat en ny metod som tillåter oss att få omfattande insikter om de elektroniska energinivåerna i denna materialklass. Vi är mycket nöjda med resultatet av denna forskning efter två års kontinuerligt arbete; vi tror att vårt arbete kommer att få en bred inverkan på detta område eftersom denna kunskap är avgörande för att ytterligare optimera perovskitmaterialen såväl som deras energiinriktning i en fungerande enhet; båda är mycket viktiga aspekter för effektiviteten hos optoelektroniska enheter perovskit, ", tillägger Shuxia Tao.