En ny klass av 2-D perovskitmaterial med kanter som är ledande som metaller och kärnor som är isolerande hittades av forskare som sa att dessa unika egenskaper har tillämpningar i solceller och nanoelektronik.

"Denna observation av de metallliknande ledande tillstånden vid lagerkanterna av dessa 2-D perovskitmaterial ger ett nytt sätt att förbättra prestandan hos nästa generations optoelektronik och utveckla innovativ nanoelektronik, sa Kai Wang, biträdande forskningsprofessor i materialvetenskap och teknik vid Penn State och huvudförfattare på studien.

Wang och ett team av forskare från Penn State gjorde upptäckten samtidigt som de syntetiserade blyhalogenidperovskitmaterial för användning i nästa generations solceller. Perovskites, material med en kristallstruktur som är bra på att absorbera synligt ljus, är ett fokusområde för att utveckla både styva och flexibla solceller som kan konkurrera kommersiellt med traditionella celler gjorda med kisel. Dessa 2-D perovskitmaterial är billigare att skapa än kisel och har potential att vara lika effektiva på att absorbera solljus.

Resultaten, redovisas i Vetenskapens framsteg , ge nya insikter om laddningen och energiflödet i perovskitmaterial, viktigt för den fortsatta utvecklingen av tekniken, sa forskarna.

"Jag tror att det fina med det här arbetet är att vi hittade ett material som har helt andra egenskaper längs kanterna jämfört med kärnan, sa Shashank Priya, professor i materialvetenskap och teknik och biträdande vicepresident för forskning vid Penn State. "Det är väldigt ovanligt att strömmen kan flyta runt kanterna och inte i mitten av ett material, och detta har enorma konsekvenser för utformningen av solcellsarkitekturer."

2D-perovskitmaterialen består av tunna, växelvis staplade organiska och oorganiska skikt. De organiska skikten skyddar de oorganiska skikten av blyhalogenidkristaller från fukt som kan bryta ned 3D-versioner av materialet. Denna skiktade struktur resulterar i en stor variation i konduktivitet längs vinkelräta och parallella riktningar.

Genom att använda skannings- och kartläggningstekniker, forskarna fann att skarpa kanter på 2D-enkristallerna uppvisade extraordinärt stor laddningsbärares täthet.

"Detta arbete avslöjar de distinkta skillnaderna i optoelektroniska egenskaper mellan kristallskiktets kant och kärnområdet, som kan ge en ledtråd till att svara på andra viktiga frågor som ställts inom optoelektronikområdet om dessa 2-D perovskitmaterial, " sa Wang.

Forskare sa att fynden kan öka prestandan för solceller och LED-teknik genom att tillhandahålla ytterligare laddningsvägar inom enheterna. Fynden öppnar också dörren för utvecklingen av innovativ endimensionell elektrisk ledning inom nanoelektronik.

"Över hela längden av dessa material, du har en koppling mellan metall och halvledare, och det finns många hypotetiska enheter föreslagna baserat på den korsningen, sa Priya.

På grund av den starka strömmen som finns vid kanterna, 2-D perovskitkristaller kan också vara en bra kandidat för en triboelektrisk nanogenerator, sa forskarna.

Nanogeneratorer omvandlar rörelse till elektrisk kraft, vilket kan leda till bärbar teknik som laddar telefoner och andra enheter med hjälp av både ljus och mekanisk energi och ingångar.