Genom att använda laserspektroskopi i ett fotofysikexperiment, Forskare från Clemson University har brutit ny mark som kan resultera i snabbare och billigare energi för att driva elektronik.

Detta nya tillvägagångssätt, använder lösningsbearbetad perovskit, är avsedd att revolutionera en mängd vardagliga föremål som solceller, lysdioder, fotodetektorer för smarta telefoner och datorchips. Lösningsbearbetad perovskite är nästa generations material för solcellspaneler på hustak, Röntgendetektorer för medicinsk diagnos, och lysdioder för vardagsbelysning.

Forskargruppen inkluderade ett par doktorander och en doktorand som mentors av Jianbo Gao, gruppledare för gruppen Ultrafast Photophysics of Quantum Devices (UPQD) vid College of Sciences institution för fysik och astronomi.

Samarbetsforskningen publicerades den 12 mars i tidskriften med hög effekt Naturkommunikation. Artikeln har rubriken "Observation på plats av fångade bärare i organiska metallhalogenidperovskitfilmer med ultrasnabba temporala och ultrahöga energiupplösningar."

Huvudutredaren var Gao, som är biträdande professor i kondenserad materiens fysik. Medförfattarna inkluderade doktorander Kanishka Kobbekaduwa (första författare) och Pan Adhikari från UPQD-gruppen, såväl som grundexamen Lawrence Coleman, en senior på fysikavdelningen.

Andra författare från Clemson var Apparao Rao, R.A. Bowen professor i fysik, och Exian Liu, en gäststudent från Kina som arbetar under Gao.

"Perovskite-material är designade för optiska applikationer som solceller och lysdioder, sade Kobbekaduwa, en doktorand och första författare till forskningsartikeln. "Det är viktigt eftersom det är mycket lättare att syntetisera jämfört med nuvarande kiselbaserade solceller. Detta kan göras genom lösningsbearbetning - medan det i kisel, man måste ha olika metoder som är dyrare och mer tidskrävande."

Målet med forskningen är att göra material som är mer effektiva, billigare och lättare att tillverka.

Den unika metoden som används av Gaos team - med ultrasnabb fotoströmspektroskopi - möjliggjorde en mycket högre tidsupplösning än de flesta metoder, för att definiera de fångade bärarnas fysik. Här, ansträngningen mäts i pikosekunder, som är en biljondels sekund.

"Vi tillverkar enheter som använder detta (perovskite) material och vi använder en laser för att lysa ljus på det och excitera elektronerna i materialet, " sade Kobbekaduwa. "Och sedan genom att använda ett externt elektriskt fält, vi genererar en fotoström. Genom att mäta den fotoströmmen, vi kan faktiskt berätta för människor egenskaperna hos detta material. I vårat fall, vi definierade de fångade tillstånden, som är defekter i materialet som kommer att påverka strömmen som vi får."

När fysiken väl är definierad, forskare kan identifiera defekterna – som i slutändan skapar ineffektivitet i materialen. När defekterna reduceras eller passiveras, detta kan resultera i ökad effektivitet, vilket är avgörande för solceller och andra enheter.

Eftersom material skapas genom lösningsprocesser som spinnbeläggning eller bläckstråleutskrift, sannolikheten för införande av defekter ökar. Dessa lågtemperaturprocesser är billigare än ultrahögtemperaturmetoder som resulterar i ett rent material. Men avvägningen är mer defekter i materialet. Att hitta en balans mellan de två teknikerna kan innebära högre kvalitet och effektivare enheter till lägre kostnader.

Substratproverna testades genom att skjuta en laser mot materialet för att bestämma hur signalen fortplantar sig genom det. Att använda en laser för att belysa proverna och samla in strömmen gjorde arbetet möjligt och särskiljde det från andra experiment som inte använder ett elektriskt fält.

"Genom att analysera den strömmen, vi kan se hur elektronerna rörde sig och hur de kommer ut ur en defekt, ", sade Adhikari från UPQD-gruppen. "Det är möjligt bara för att vår teknik involverar ultrasnabb tidsskala och in-situ-enheter under ett elektriskt fält. När elektronen väl faller in i defekten, de som experimenterar med andra tekniker kan inte ta bort det. Men vi kan ta ut det eftersom vi har det elektriska fältet. Elektroner har laddning under det elektriska fältet, och de kan flytta från en plats till en annan. Vi kan analysera deras transport från en punkt till en annan inuti materialet."

Denna transport och inverkan av materialdefekter på den kan påverka prestandan hos dessa material och de anordningar som de används i. Allt är en del av de viktiga upptäckter som eleverna gör under ledning av sin mentor, skapa ringar som kommer att leda till nästa stora genombrott.

"Eleverna lär sig inte bara, de gör faktiskt jobbet, " Sa Gao. "Jag har turen att ha begåvade studenter som – när de inspireras av utmaningar och idéer – kommer att bli inflytelserika forskare. Allt detta är en del av de viktiga upptäckter som studenter gör under ledning av sina mentorer, skapa ringar som kommer att leda till nästa stora genombrott. Vi är också mycket tacksamma för de starka samarbeten med Shreetu Shrestha och Wanyi Nie, som är toppmaterialforskare från Los Alamos National Laboratory."