PL-emissionskartläggning av MA0.17FA0.83Pb(I0.5Br0.5)3 vid detektionsvåglängden 670 nm och 790 nm efter lokal belysning i 1 timme med en strålstorlek på ~ 1 mm och densitet 1 sol på den blotta filmen och över en ringformad öppning med ett 1 mm diameter nålhål och ett centrumobstruktionsmål på 850 µm. Kredit:Xiaoxiao Sun, Yong Zhang, Weikun Ge
Blyhalogenidperovskiter (t.ex. MAPbI3 ) är en framväxande familj av halvledarmaterial med utmärkta optoelektroniska egenskaper som är idealiska för fotovoltaiska och ljusemitterande tillämpningar. Betydande jonmigration har rapporterats i dessa material och är en av de huvudsakliga mekanismerna som är ansvariga för anomal I-V-hysteres och dålig stabilitet i perovskitsolcellerna.
Speciellt uppvisar blandade halogenidperovskiter vidare fotoinducerad halidanjon-"segregering" under kontinuerlig belysning ovanför bandgapet, och processen är reversibel när belysningen avlägsnas. Detta segregationsfenomen ses vanligtvis som en negativ effekt på optoelektroniska tillämpningar och bör undertryckas.
Den mest observerade effekten av jonsegregeringen är den röda förskjutningen i fotoluminescens (PL)-toppen från den förväntade våglängden för legeringen till den för en betydligt högre sammansättning av jod. Det hävdas allmänt att en enhetlig legering MAPbI1-x Brx skulle segregera i jodrika och bromrika domäner inom det upplysta området.
Ett antal mikroskopiska mekanismer har föreslagits för att förklara fenomenet. Men ingen av dem kan entydigt förklara alla nyckelaspekter av fenomenet. Faktum är att de kemiska och strukturella egenskaperna hos de så kallade "Br-rika" och "I-rika" regionerna ännu inte är väl förstådda, även om de implicit antas vara helt enkelt Br-rika respektive I-rika legeringar.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications av forskare från Empa−Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Schweiz, University of North Carolina i Charlotte, USA och Tsinghua University, Kina har upptäckt att anjonsegregeringen i den blandade halidlegeringen är en icke-lokal effekt av vilken jonen omfördelning kan ske i en makroskopisk eller mesoskopisk skala långt utanför det upplysta området i en skala proportionell mot belysningsstrålens storlek, upp till långt över mm. Detta arbete erbjuder ett helt nytt perspektiv till den allmänt antagna fotoinducerade "på plats" anjonsegregeringen i blandade halogenidperovskitlegeringar.
Författarna säger att "specifikt finner vi att under belysning, inom belysningsområdet, är PL-toppen rödförskjuten från den ursprungliga positionen; samtidigt, utanför det upplysta området, är legerings-PL-toppen kraftigt förstärkt i ett ringområde som cirklar runt upplyst område. Dessutom är processen reversibel, men icke-monotont, och uppvisar ultralågfrekventa dämpade svängningar mellan ringen och centrum när det gäller PL-intensitet och position."
"Dessa överraskande observationer kan förklaras som att fria Br-joner drivs ut från det upplysta området, vilket resulterar i ett positivt laddat område, och samtidigt bildar en negativt laddad Br-rik ring, båda är stökiometriska från den ursprungliga legeringen. Detta fenomen kan vara ses som en jonanalogi av en mesoskopisk PL-ringbildning borta från den upplysta platsen i GaAs/AlGaAs kvantbrunnar, som är ett resultat av skillnaden i elektron- och håldiffusionslängder och därmed deras rumsliga profiler", tillade de.
Författarna föreslår att det märkliga oscillerande beteendet kan återspegla en oscillation av jonplasma eller jonplasmon, vilket inte har rapporterats i fasta ämnen. Förutom de bredare implikationerna utanför området för halogenidperovskiterna, erbjuder dessa fynd nya insikter i den underliggande mekanismen för jonseparationen i de blandade halidlegeringarna, vilket gör att det inte nödvändigtvis är ett negativt fenomen att undertrycka utan något potentiellt användbart, t.ex. för energi lagring. Som en lovande demonstration uppmättes en spänning runt 0,4 V mellan mitten och ringen, vilket pekar på möjligheten av ett batteri som kan laddas direkt av ljus. + Utforska vidare
