Hybridorganiska eller oorganiska halogenidperovskiter är en unik klass av solcellsmaterial som bryter mot några av de materialdesignregler som har funnits i över 30 år. Till exempel, de kan uppnå en utomordentligt hög prestanda, trots att den är rik på defekter och störd i makroskopisk skala.

Denna störda kvalitet står i skarp kontrast till de mer traditionella oorganiska halvledarna som för närvarande används för att tillverka elektronik. Dessutom, deras morfologi gör det mycket svårare att kvantifiera rumsliga transportparametrar som är väsentliga för att optimera strukturerna hos enheter.

Prestandan hos halvledarenheter styrs i grunden av laddningsbärardynamiken i materialen. Medan många forskare har försökt få en bättre förståelse för denna dynamik, många frågor är fortfarande obesvarade.

Till exempel, ballistisk transport av laddningsbärare (t.ex. elektroner) genom dessa material, även känd som ballistisk utbredning, ansågs hittills inte spela någon relevant roll för att möjliggöra funktionen för solceller (PV) och ljusemitterande dioder. Detta beror på att denna spridning snabbt störs efter att bärarna genereras, via en process som kallas spridning.

Ett team av forskare vid University of Cambridge och University of Oxford har nyligen genomfört en studie som syftar till att upptäcka mer om laddningsbärardynamiken i perovskitmaterial. Deras studie, publicerad i Naturfysik , undersökte specifikt den spatiotemporala dynamiken hos bärare omedelbart efter att fotoner absorberats av metylammonium -blyjodidperovskitfilmer.

"Intressant, hybridorganiska-oorganiska halogenidperovskitmaterial uppvisar också rik ultrasnabb dynamik på tidsskalan under 200 fs, som har förblivit i stort sett outforskat hittills, "sa forskarna till Phys.org, via e -post. "Vi sökte därför en direkt sond för att visualisera det fotoinducerade laddningsbärartransportbeteendet i dessa material på femtosekundens tidsskala i kombination med nanometer spatial precision."

För att undersöka den spatiotemporala dynamiken hos bärare i metylammonium -blyjodidperovskitfilmer, forskarna använde ett tidsupplöst optiskt mikroskop med extrem tidsupplösning och nanometer rumslig precision. De använde en mycket rymligt begränsad pumpstråle i storleksordningen 200 nm för att excitera materialet, vilket resulterade i generering av exciterade elektroner endast inom ett litet område av deras prov.

"Genom att leverera en löst fokuserad sondstråle på materialet och variera tidsfördröjningen med avseende på pumpstrålen, den rumsliga dynamiken i den fotogenererade elektronfördelningen kan registreras, "förklarade forskarna." Eftersom vi jämför förändringarna i fördelningen över tid, den rumsliga precisionen begränsas inte av den optiska diffraktionsgränsen utan av mätprecisionen. "

Den rumsliga precisionen som uppnåddes med deras optiska mikroskop gjorde det möjligt för forskarna att urskilja dynamik på längdskalor så små som tio nanometer i materialet. Med denna tidsupplösta optiska mikroskopi-teknik, forskarna kunde direkt visualisera elektronernas rörelse, även inom några tiotals femtosekunder.

Deras studie samlade de första bilddata som tydligt visar hur perovskitmaterial fungerar direkt efter fotonabsorption. De fann att omedelbart efter att fotoner absorberats, elektroner i dessa material rör sig extremt snabbt över ett aldrig tidigare skådat avstånd.

"Efter inspelning av filmen av fotoexciterade elektroner, vi kvantifierade bredden på elektronfördelningen vid varje ögonblicksbild och registrerade den genomsnittliga kvadratförskjutningen, "sa forskarna." Denna analys ger elektronernas rörlighet. "

Forskarna observerade att elektroner rörde sig med en hastighet av 5 × 10 ⁶ Fröken ^-1 över 150 nm, vilket är nästan 1 procent av ljusets hastighet över 150 nm. Denna enorma hastighet innebär att perovskiter i halogenider rör sig elektroner på ett vågliknande sätt, som beskrivs av teorier i kvantmekanik som förutsäger våg-partikel dualitet.

"Detta är ett mycket överraskande resultat, eftersom det länge har antagits att elektronernas kvantmekaniska beteende bryts ner mycket snabbt i solceller och ger 'klassiskt' beteende, "sa forskarna.

Observationerna kan ha viktiga konsekvenser för utvecklingen av ny teknik, eftersom de i slutändan kräver en omvärdering av nuvarande teorier om hur solceller fungerar, både de som är gjorda av perovskiter och de som tillverkas med andra oorganiska halvledare. Faktiskt, i motsats till de flesta tidigare studier, dessa fynd tyder på att kvantbeteende finns i de flesta fungerande solceller.

"Nu när vi har upptäckt denna oöverträffade transportregim, vi kommer att börja titta på andra material för att se om det finns en universell designregel som dikterar utseendet på ballistisk transport, " sa forskarna. "Om vi ​​kan etablera en sådan universell anslutning, det kan mycket väl visa sig vara transformerande i vårt sätt att tänka på att designa solceller i framtiden."

© 2019 Science X Network