Forskning ledd av University of Texas i Dallas fysiker har förändrat förståelsen av de grundläggande egenskaperna hos perovskitkristaller, en klass av material med stor potential som solceller och ljusstrålare.

Publicerad i juli i Naturkommunikation , studien presenterar bevis som ifrågasätter befintliga modeller av beteendet hos perovskiter på kvantnivå.

"Vår förbättrade förståelse av perovskiternas fysik hjälper till att avgöra hur de används bäst, " sa Dr Anton Malko, docent i fysik vid Institutionen för naturvetenskap och matematik och motsvarande författare till uppsatsen.

Termen perovskit syftar i stora drag på mineraler med samma specifika kristallstruktur som den förening som ursprungligen bar namnet perovskit:kalciumtitanat.

"I vilken ren kristall som helst, atomer är ordnade på ett mycket ordnat sätt, " sa Dr Riya Bose, postdoktoral forskningsassistent i fysik som förberett proverna för studien. "Tusentals material kan definieras som perovskiter genom sin speciella struktur. Vissa typer av dessa är utmärkta kandidater för solceller eller ljussändare."

Perovskitforskning är relativt ung, börjar med solcellsstudier som publicerades för ungefär ett decennium sedan. Som jämförelse, kiselsolceller har förfinats i många decennier.

"Silikonsolceller, som de du kan köpa nu, har blivit mer effektiva under decennierna, ökar dramatiskt efter 1960 -talet, "Malko sa." Dagens effektivitet är cirka 20 procent, " vilket betyder att en femtedel av energin i det infallande ljuset omvandlas till elektricitet av solceller.

Eftersom perovskiter är ett nyare forskningsämne, mycket är fortfarande okänt om varför de beter sig som de gör.

"Vad är känt, dock, är att perovskiter redan överstiger den högsta effektiviteten som uppnås med kisel, "Sa Malko. "De är också lätta att göra och är mycket billiga i förhållande till kisel."

Det som håller tillbaka perovskite är dess instabilitet; en perovskitsolcell skulle behöva bytas ut inom några veckor.

"En solcell som bryts ned snabbt under solljus är helt klart värdelös, "Malko sa." En kiselcell kan hålla i 20 år. Med perovskite, livslängder mäts i hundratals timmar. Men även det representerar framsteg från den tidigaste forskningen. Nu, vi har gått över till att arbeta med oorganiska perovskiter, som borde förlänga det livet."

Många material med goda ljusabsorptionshastigheter är också bra på att återutsända det ljuset. Malkos arbete har fokuserat på det ljusavgivande beteendet hos perovskiter på nanopartikelnivå.

"Kvantutbytet för vissa perovskitpartiklar är nästan 100%, vilket betyder att de är superljusa, " sa han. "Vi gav oss i kast med att hitta den specifika källan till denna luminescens."

Innan Malkos studie den utbredda modellen var att inom perovskiter, som i många andra halvledare, ljus sänds ut av excitoner:bundna tillstånd av negativa och positiva laddningar, kallas elektroner respektive hål. Excitoner kan röra sig över stora avstånd i materialet.

Enligt denna modell, när materialets storlek krymper, excitonerna borde bli mer begränsade i sin rörelse, en process som kallas kvantfängelse. Detta bör resultera i förändringar i våglängden, eller färg, av ljus som absorberas eller avges.

Använda enpartikelspektroskopi för att observera perovskit -nanopartiklar, forskarna ville lära sig vad enskilda excitoner gjorde. När man testar den konventionella visdomen, de motbevisade det.

"Vi observerade att perovskitljus är anmärkningsvärt konsekvent, ", sa Malko. "Trots att han undersökte ett brett utbud av storlekar, från 9 till 30 nanometer, emissionsvåglängden - ljusets färg - var oförändrad i de cesiumbaserade perovskitproverna, " sa han. "Det utsända ljuset var en specifik grön oavsett storleken på det observerade materialet."

Vad Malko, Bose och deras kollegor fann - både i perovskiter som har interna tredimensionella kristallgitter och i nolldimensionella - var att ljusemissionen på nivån för en enda nanopartikel såg mer ut som ljus från individer, starkt lokaliserade molekylära excitationer snarare än från mobila elektroner och hål. Gräver vidare, forskarna fastställde att källan till det emitterade ljuset var nära knuten till de lediga platserna för bromidatomer i perovskiterna.

"Dessa fynd motsäger kvantinneslutningsmodellen, som skulle diktera att källan till luminescens i dessa perovskiter är från excitoner som delokaliseras över nanopartiklar, " Sa Malko. "Perovskites oavsett storlek kommer att visa detta beteende."

Dessutom, i ett fall av kvantinneslutning, exponering för mer intensivt ljus skulle skapa fler excitoner med olika beteende och emissionsegenskaper. I de cesiumbaserade perovskit-nanopartiklarna, dock, förbättrad fotonutgång kännetecknades av liknande emissionsparametrar.

"Detta skiljer sig dramatiskt från de tidigare synpunkterna från samhället, "Malko sa." Den rådande förutfattningen om kvantfängelse har varit svår att förskjuta. "

Malko beskrev forskningen som ett viktigt steg framåt för att förstå emissionsegenskaperna hos perovskitmaterial. Fortfarande, ett antal frågor måste lösas innan de genomförs i praktiken — främst, livslängdsproblemet.

"Om någon hittar ett sätt att få perovskiter att hålla i flera år, Jag förutspår att det kommer att finnas dussintals företag som tillverkar perovskitsolceller och ljusavgivande enheter, " han sa.