Många hypoteser försöker förklara de särskilt gynnsamma egenskaperna hos perovskithalvledare för solceller. Polaroner eller en gigantisk Rashba-effekt tros till exempel spela en stor roll. Ett team på BESSY II har nu experimentellt motbevisat dessa hypoteser. Genom att göra det begränsar de ytterligare de möjliga orsakerna till transportegenskaperna och möjliggör bättre tillvägagångssätt för riktad optimering av denna klass av material.

Forskning om oorganiska och hybridorganiska blyhalogenidperovskiter har blomstrat i flera år. Denna klass av material har extremt intressanta egenskaper:till exempel omvandlar vissa perovskithalvledare också det energirika blåa spektrumet av solljus till elektrisk energi, så att solceller baserade på perovskiter i tandem med kiselunderceller nu uppnår verkningsgrader på 30 %. Perovskite-halvledare är också lämpliga för ljusemitterande dioder, som halvledarlasrar och strålningsdetektorer. Till skillnad från konventionella halvledare kan dessa material produceras billigt och med liten energiförbrukning från lösningar för att ge tunna filmer.

Men även efter år av intensiv forskning förstås inte de mikroskopiska processerna i perovskithalvledare som säkerställer överlägsen laddningstransport i detalj. Det enda som är klart är att de laddningsbärare som frigörs i materialet av solljus uppenbarligen har lång livslängd och förloras mer sällan, till exempel vid defekter eller genom rekombination.

Forskare har utvecklat hypoteser för att förklara detta beteende, vilket ett team på BESSY II nu har testat experimentellt. Teamet under ledning av prof. Oliver Rader rådgavs av perovskitexperten prof. Eva Unger vid HZB, som också tillhandahållit faciliteterna i HySPRINT-laboratoriet för provberedning.

Polarons

En hypotes är att polaroner bildas i blyhalogenidperovskiter och bidrar till laddningstransport. Sådana polaroner är oscillationer av joner i kristallgittret som reagerar på elektronernas rörelse på grund av deras laddning. Eftersom perovskiter består av negativa (här bly) och positiva joner (här cesium), var antagandet att polaroner spelar en roll uppenbart. Mätningar från en annan grupp verkade också stödja denna hypotes.

ARPES-data:Inga stora polaroner

Vid BESSY II kan dock denna hypotes testas i detalj experimentellt. Med vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) är det möjligt att skanna de elektroniska bandstrukturerna. En tung andel polaroner i laddningstransporten skulle bli uppenbar genom en högre effektiv massa. ARPES mäter elektronernas kinetiska energi, dvs 1/2 mv ² med massa m och hastighet v. Ju "tuffare" elektrontransporten är, desto högre är den så kallade "effektiva" massan m. Eftersom rörelsemängden är p =mv, motsvarar formeln en parabel E =(p ² )/(2m) som mäts direkt i experimentet (se figur):ju större m, desto mindre krökning av parabeln.

Mätningarna Maryam Sajedi utförde på kristallina prover av CsPbBr₃ visade inte mindre krökningar, vilket motbevisade hypotesen om stora polaroner. "Den effektiva massan vi bestämde från mätningen är inte större än vad som teoretiskt förutspåtts", säger Maryam Sajedi. Och Oliver Rader förklarar:"För att se till att vi tog hänsyn till alla möjliga effekter förutom polaroner, till exempel avstötning av elektroner från varandra, arbetade vi tillsammans med teoretiker från Forschungszentrum Jülich. Det finns dock ingen ökad massa i experiment för vilket man skulle behöva postulera polaroner."

Ingen jättelik Rashba-effekt

Den andra hypotesen antar en gigantisk Rashba-effekt för att begränsa förlusterna på grund av rekombination av laddningsbärare. Rashba-effekten är baserad på en stark spin-orbit-koppling som skulle kunna produceras i bly-halidperovskiter av tungmetallen bly. Återigen pekade tidigare arbete på denna effekt som en möjlig förklaring till laddningsbärarnas långa livslängd. Maryam Sajedi undersökte prover av båda oorganiska CsPbBr₃ och hybrid-organisk MAPbBr₃ med spin ARPES och analyserade mätdata. "Denna effekt är åtminstone hundra gånger mindre än vad som antagits", kommenterar hon resultatet.

Falsifiering hjälper till att göra framsteg

"Vi har experimentellt kunnat motbevisa två vanliga hypoteser om transportegenskaperna i perovskiter, vilket är ett viktigt resultat", säger Rader. Elimineringen av ogiltiga hypoteser är till stor hjälp för ytterligare optimering av dessa material. + Utforska vidare

Att förstå hur elektriska laddningar beter sig inuti perovskites kan hjälpa till att förbättra deras prestanda