Ett team av forskare från MIT och Northwestern University har visat förmågan att finjustera de elektroniska egenskaperna hos hybridperovskitmaterial, som har väckt enormt intresse som potentiella nästa generations optoelektroniska material för enheter som solceller och ljuskällor.

Materialen klassificeras som "hybrid" eftersom de innehåller oorganiska komponenter som metaller, liksom organiska molekyler med element som kol och kväve, organiserat i nanoskala lager. I en artikel publicerad online den här veckan i Naturkemi , forskarna visade att genom att strategiskt variera sammansättningen av de organiska skikten, de kunde ställa in ljusets färg som absorberas av perovskiten och även våglängden vid vilken materialet avgav ljus. Viktigt, de uppnådde detta utan att väsentligt ändra den oorganiska komponenten.

"Tills nu, mest experimentella och teoretiska bevis tyder på att de organiska skikten helt enkelt fungerar som inerta distanser, vars enda roll är att separera de elektroniskt aktiva oorganiska skikten, säger Will Tisdale, ARCO:s karriärutvecklingsprofessor i energistudier vid MIT och motsvarande författare på uppsatsen. "Dessa nya resultat visar att vi kan lära det organiska skiktet att göra mycket mer."

"Vårt laboratorium har intresserat sig för design av nya hybridmaterial som kombinerar oorganiska och organiska komponenter för att skapa synergistiska egenskaper, och det är precis vad vi har gjort i detta arbete med de spännande energimaterialen som kallas perovskiter, säger Samuel Stupp, Förvaltningsrådets professor i kemi, Materialvetenskap och teknik, Medicin, och biomedicinsk teknik vid Northwestern och med motsvarande författare på pappret.

Perovskiter, upptäcktes först som naturligt förekommande mineraler i Uralbergen för nästan 200 år sedan, har undersökts kraftigt under det senaste decenniet efter att det fastställts att de kunde förvandla ljus till användbar el. Dessa material anses vara en möjlig nyckel till en hållbar energiframtid eftersom de är billigare att tillverka än de populära kiselbaserade solcellerna, och kan omvandla ljus till el nästan lika effektivt.

Dock, perovskit solceller är mycket mindre hållbara och stabila under utomhusförhållanden på grund av deras känslighet för värme och fukt. Forskare har nyligen funnit att splittring av den traditionella 3D-strukturen för perovskiter i många tunna lager-allt från några få atomer tjocka till dussintals atomer tjocka-förbättrar stabiliteten och prestandan.

I skiktade perovskiter, det oorganiska skiktet absorberar ljus och producerar de laddningar som så småningom behövs för att producera elektrisk energi. De organiska skikten är typiskt isolerande och fungerar som gigantiska väggar som förhindrar att de ljusgenererade laddningarna rör sig ur det oorganiska skiktet.

"Detta samarbete har varit spännande eftersom materialet som Stupp -gruppen skickade till oss från nordvästra var exakt i linje med de frågor vi ställde på MIT, om hur excitoner i perovskitens oorganiska lager kan påverkas av de organiska skiktens egenskaper, säger Katie Mauck, en tidigare postdoc i Tisdale -gruppen och nu assisterande professor i kemi vid Kenyon College. Tillsammans med James Passarelli, en doktorand i Stupp -gruppen, hon är en första författare till tidningen. "James modulära tillvägagångssätt för perovskitesyntesen gjorde det möjligt för oss att på ett kontrollerat sätt justera interaktionen mellan dessa lager och studera effekterna på excitondynamiken på djupet, genom spektroskopi i Tisdale -labbet. "

"När ljus absorberas av halvledare som perovskiter, elektroner med sin negativa laddning hämtar energi och går bort, "Stupp säger." Detta skapar en attraktiv kraft med de positivt laddade sajterna som de lämnar efter sig, eftersom materia vill vara neutral. Vi kunde kontrollera storleken på denna kraft genom att införliva specifika typer av molekyler i de organiska skikten, som i sin tur ändrar deras intressanta egenskaper. "

Northwestern-MIT-samarbetet började efter ett slumpmässigt möte mellan Mauck och en Stupp-labmedlem vid en vetenskaplig konferens sommaren 2018. Stupp-laboratoriet hade tidigare utfört banbrytande arbete med syntesen av oorganiskt-organiska hybridmaterial för potentiella tillämpningar inom energi och medicin, medan Tisdale -gruppen specialiserar sig på att använda lasrar för att undersöka egenskaperna hos nanomaterial.

Dessa intressen överlappade perfekt för detta projekt, när Stupp -gruppen utvecklade hybridperovskitstrukturerna och Tisdale -gruppen utförde de exakta spektroskopiska mätningarna som var nödvändiga för att bekräfta interaktionerna inom systemen.

I framtiden, förmågan att finjustera de elektroniska egenskaperna hos dessa material kan tillämpas på olika optiska eller elektroniska sensorer-inklusive molekylära sensorer som drar nytta av förekomsten av organiska lager-samt solceller och ljuddetektorer.

"Förutom en väg mot förbättrade optoelektroniska enheter, detta arbete understryker några av de unika fördelarna med halvledare i nanoskala, som är mer känsliga för sin omgivande miljö än bulkmaterial, "Tisdale säger." De lärdomar vi har dragit i samband med hybridlagrade perovskiter kan utvidgas till många andra nya material. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.