En ny metod skulle kunna göra det möjligt för forskare att tillverka effektivare och mer hållbara perovskitsolceller, Lysdioder och fotodetektorer. Genom att odla tunna perovskitfilmer på substrat med olika sammansättningar, ingenjörer vid University of California San Diego har uppfunnit ett sätt att tillverka perovskit-enkristaller med exakt deformerade, eller ansträngd, strukturer.

Verket publicerades 8 januari in Natur .

Att konstruera en liten mängd belastning i perovskiter är av stort intresse eftersom det ger ett sätt att göra betydande förändringar i materialets egenskaper, till exempel hur den leder elektricitet, absorberar och sänder ljus, eller hur stabil den är.

"Du kan använda strain engineering som en ratt för att ställa in befintliga funktioner eller till och med installera nya funktioner i ett material, " sa Sheng Xu, en professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och seniorförfattaren till studien.

Det finns tekniker som använder värme för att introducera spänning i perovskitkristaller, men den stammen är vanligtvis kortlivad eller okontrollerbar när det gäller dess storlek, vilket gör dessa stamkonstruerade perovskiter opraktiska att använda. Befintliga töjningstekniker är också oförenliga med tillverkningsprocesser för enheter.

Xu och hans team tacklade dessa problem genom att försiktigt odla deformerade perovskit-enkristaller. Deras teknik bäddar permanent in spänning i materialets struktur och låter dem skräddarsy mängden töjning - ju mer deformerat kristallgittret, desto högre belastning.

Den typ av perovskit som undersöktes i denna studie är alfa-formamidinium blyjodid, som har använts för att skapa de högsta effektiviteten perovskite solceller hittills. Forskarna odlade kristaller av materialet på en serie perovskitsubstrat med varierande sammansättning och gitterstorlekar - en process som kallas heteroepitaxiell tillväxt. När materialet kristalliserades, den antog gitterstorleken på sitt substrat, vilket i huvudsak tvingade alfa-formamidinium blyjodidkristallerna att växa annorlunda än de normalt gör.

"Således, gittren i materialet är deformerad och spänd i olika grad, beroende på gallrets obalans mellan material och substrat, " förklarade Yimu Chen, en nanoteknik Ph.D. student i Xus labb och medförfattare till studien.

"Eftersom vi introducerar belastning på atomnivå, vi kan designa stammen exakt och kontrollera den, sa Yusheng Lei, som också är en nanoingenjör Ph.D. student i Xus labb och den andra medförstaförfattaren till studien.

Forskarna odlade perovskitkristaller med fem olika spänningsnivåer från 0 till -2,4 %. De fann att -1,2 % stam producerade prover med den bästa laddningsbärarens rörlighet.

Teamet rapporterade också en annan intressant upptäckt:växande alfa-formamidinium blyjodidkristaller med stam stabiliserade dess fotoaktiva alfafas. "I sin ansträngningsfria form, alfa-formamidinium blyjodid genomgår en fasövergång från en fotoaktiv fas till en icke-fotoaktiv fas, vilket är dåligt för solcellsapplikationer, " sa Chen. "Med vår tillväxtmetod, vi kan låsa materialets kristallstruktur med substratets för att förhindra denna fasövergång och förbättra dess fasstabilitet."

I framtida studier, forskarna kommer att utforska vilka nya egenskaper och funktioner de kan anstränga ingenjörer till perovskiter med deras metod. De kommer också att arbeta med att skala upp sin process för att växa sig stora, enkristallina tunna filmer för industriella applikationer.