Ett lovande halvledarmaterial skulle kunna förbättras om brister som tidigare ansetts vara irrelevanta för prestanda minskas, enligt forskning publicerad idag i Naturkommunikation . En grupp forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute och andra universitet har visat att en specifik defekt påverkar förmågan hos halidperovskit att hålla energi som härrör från ljus i form av elektroner.

"Defekter kan vara bra eller dåliga i halvledare, " sa Jian Shi, docent i materialvetenskap. "Av någon anledning, människor var inte uppmärksamma på dislokationer i halogenidperovskit, men vi har visat att denna defekt är ett problem i halidperovskit."

Forskning på halogenidperovskit har snabbt förbättrat materialets effektivitet från cirka 3 % omvandling av ljus till elektrisk energi till 25 % – motsvarande toppmoderna kiselsolceller – under loppet av ett decennium. Forskare brottades med kisel i årtionden för att nå materialets nuvarande effektivitetsnivå.

Halidperovskit har också lovande bärardynamik, som grovt definieras som den tid som ljusenergi som absorberas av materialet hålls kvar i form av en exciterad elektron. För att skapa en god möjlighet till omvandling av solenergi, elektroner i materialet måste behålla sin energi tillräckligt länge för att kunna skördas av en elektrod som är fäst vid materialet, fullbordar därmed omvandlingen av ljus till elektrisk energi.

Materialet hade länge ansetts vara "defekttolerant, "betyder brister som saknade atomer, skumma bindningar över kristallkornen, och en missmatchning känd som kristallografisk dislokation ansågs inte ha någon större inverkan på effektiviteten. Nyare forskning har ifrågasatt detta antagande och funnit att vissa defekter påverkar aspekter av kristallens prestanda.

Shis team testade om defekten av kristallografisk dislokation påverkar bärardynamiken genom att odla kristallen på två olika substrat. Ett substrat hade en stark interaktion med halogenidperovskiten när den avsattes, ger en högre täthet av dislokationer. Den andra hade en svagare interaktion och gav en lägre täthet av dislokationer.

Resultaten visar att dislokationer negativt påverkar bärardynamiken hos halidperovskit. Att reducera dislokationsdensiteter med mer än en storleksordning har visat sig leda till en ökning av elektronlivslängden med fyra gånger.

"En slutsats är att halidperovskit har en liknande dislokationseffekt som konventionella halvledare, "Sa Shi. "Vi måste vara försiktiga med dislokationer i halogenidperovskit, vilket är en faktor som folk har ignorerat när de arbetar med det här materialet."

Shis sista betydande arbete med halogenidperovskit avslöjade vilken roll trycket har på denna halvledares optiska egenskaper publicerad i Vetenskapens framsteg under 2018.

På Rensselaer, Shi fick sällskap av forskare från både institutionen för materialvetenskap och teknik och institutionen för fysik, Tillämpad fysik och astronomi. Forskare från Kunming University of Science and Technology, Tsinghua-universitetet, University of Science and Technology Peking, Forschungszentrum Julich, och Brown University bidrog också till forskningen.

"Carrier lifetime enhancement in halide perovskite via remote epitaxy" publicerades 12 september i Naturkommunikation .