Ritningen illustrerar interaktionen av den organiska metylammoniumkatjonen (CH3NH3+) med de omgivande jodidjonerna. Förskjutningen av jodidatomerna ut ur det gemensamma planet med bly orsakar att inversionssymmetrin bryts. Kredit:HZB
Solceller baserade på perovskiter har nått enormt höga verkningsgrader inom bara några år. De med hybridhalogenidperovskit, dvs material som innehåller oorganiska och organiska komponenter, uppnå särskilt hög effektivitet, men saknar långsiktig stabilitet. Även om oorganiska perovskithalvledare, såsom CsPbI 3 , är mindre effektiva, de anses också intressanta, eftersom de kan övervinna stabilitetsproblemen hos hybridperovskiter.
Tills nu, det antogs att hybrid och rent oorganiska perovskiter inte skiljer sig fundamentalt i sin kristallina struktur. När man tillverkar perovskitmaterial, det händer ofta att inga stora enkristaller bildas, men otaliga små tvillingkristaller istället. Detta gör en kristallstrukturanalys särskilt komplicerad och benägen för fel och låg precision.
Ett HZB-team ledd av Prof Susan Schorr och Dr. Joachim Breternitz har nu uppnått ett genombrott för att förstå den kristallina strukturen hos hybridhalidperovskiter. Teamet undersökte kristallina prover av metylammoniumblyjodid (MAPbI 3 ), den mest framstående representanten för denna klass av material, vid Diamond Light Source synchrotron (DLS) i Storbritannien med hjälp av högupplöst enkristalldiffraktion. Detta tillvägagångssätt gav data för en mer djupgående analys av den kristallina strukturen hos detta material.
Teamet kunde också klargöra om ferroelektriska effekter överhuvudtaget är möjliga i denna hybridhalidperovskit. Ferroelektriska domäner kan ha gynnsamma effekter i solceller och öka deras effektivitet. Dock, att mäta denna effekt i prover är svårt – ett nollresultat kan betyda att det antingen inte finns någon ferroelektrisk effekt eller att de ferroelektriska domänerna tar bort varandras effekter.
"Ur en kristallografisk synvinkel, vissa villkor är nödvändiga för ferroelektricitet:en ferroelektrisk effekt kan bara uppstå om kristallstrukturen inte innehåller ett inversionscentrum, och dessutom om den uppvisar ett permanent polärt ögonblick, " förklarar Breternitz.
Tidigare, det antogs att kristallstrukturen hos MAPbI 3 innehöll ett inversionscenter. Dock, resultaten av kristallstrukturanalysen visar att så inte är fallet:"Den organiska metylammoniumkatjonen MA+ spelar en stor roll i detta, " förklarar Breternitz. Detta beror på att MA-molekylen inte är sfäriskt symmetrisk och är också betydligt större än en enda atom, så att den genererar ett polärt moment med de intilliggande jodatomerna. Förekomsten av ferroelektriska domäner i MAPbI 3 är därför möjligt.
För oorganiska perovskiter som innehåller en alkaliatom istället för MA-molekylen, denna mekanism är inte tillämplig. Det betyder att de mer stabila oorganiska perovskiterna i grunden kan vara något mer begränsade i sin effektivitet än deras hybridhalogenid-släktingar.
