Dati di misurazione ARPES lungo una direzione specifica nel reticolo reciproco per varie energie di fotoni. La massa effettiva degli elettroni può essere derivata dalla curvatura attorno ai massimi. I dati non mostrano cambiamenti drammatici nella massa effettiva. Credito:HZB
Molte ipotesi cercano di spiegare le proprietà particolarmente favorevoli dei semiconduttori di perovskite per le celle solari. Si ritiene che i polaroni o un gigantesco effetto Rashba svolgano un ruolo importante. Un team di BESSY II ha ora smentito sperimentalmente queste ipotesi. In tal modo, restringono ulteriormente le possibili cause delle proprietà di trasporto e consentono approcci migliori per l'ottimizzazione mirata di questa classe di materiali.
La ricerca sulle perovskiti agli alogenuri di piombo organici inorganici e ibridi è in piena espansione da diversi anni. Questa classe di materiali ha proprietà estremamente interessanti:ad esempio, alcuni semiconduttori di perovskite convertono anche lo spettro blu della luce solare, ricco di energia, in energia elettrica, in modo che le celle solari basate su perovskiti in tandem con sottocelle di silicio ora raggiungano un'efficienza del 30%. I semiconduttori perovskite sono adatti anche per diodi emettitori di luce, come laser a semiconduttore e rivelatori di radiazioni. A differenza dei semiconduttori convenzionali, questi materiali possono essere prodotti a basso costo e con un dispendio energetico ridotto dalle soluzioni per produrre film sottili.
Ma anche dopo anni di ricerca intensiva, i processi microscopici nei semiconduttori di perovskite che garantiscono un trasporto di carica superiore non sono stati compresi in dettaglio. L'unica cosa chiara è che i portatori di carica che vengono rilasciati nel materiale dalla luce solare hanno apparentemente una lunga durata e si perdono meno frequentemente, ad esempio a causa di difetti o ricombinazione.
I ricercatori hanno sviluppato ipotesi per spiegare questo comportamento, che un team di BESSY II ha ora testato sperimentalmente. Il team guidato dal Prof. Oliver Rader è stato consigliato dall'esperta di perovskite Prof. Eva Unger dell'HZB, che ha anche fornito le strutture nel laboratorio HySPRINT per la preparazione dei campioni.
Polarons
Un'ipotesi è che i polaroni si formino nelle perovskiti agli alogenuri di piombo e contribuiscano al trasporto di carica. Tali polaroni sono oscillazioni di ioni nel reticolo cristallino che reagiscono al movimento degli elettroni a causa della loro carica. Poiché le perovskiti sono costituite da ioni negativi (qui piombo) e positivi (qui cesio), l'ipotesi che i polaroni abbiano un ruolo era ovvia. Anche le misurazioni di un altro gruppo sembravano supportare questa ipotesi.
Dati ARPES:nessun grande Polaron
Al BESSY II, tuttavia, questa ipotesi può essere verificata in dettaglio sperimentalmente. Con la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), è possibile scansionare le strutture elettroniche a banda. Una quota importante di polaroni nel trasporto di carica diventerebbe evidente attraverso una massa effettiva più elevata. ARPES misura l'energia cinetica degli elettroni, ovvero 1/2 mv 2 con massa m e velocità v. Più "duro" è il trasporto degli elettroni, maggiore è la cosiddetta massa "effettiva" m. Poiché la quantità di moto è p =mv, la formula corrisponde a una parabola E =(p 2 )/(2m) che viene misurato direttamente nell'esperimento (vedi figura):maggiore m, minore è la curvatura della parabola.
Tuttavia, le misurazioni effettuate da Maryam Sajedi su campioni cristallini di CsPbBr3 non mostrava curvature più piccole, confutando così l'ipotesi di grandi polaroni. "La massa effettiva che abbiamo determinato dalla misurazione non è maggiore di quanto previsto in teoria", afferma Maryam Sajedi. E Oliver Rader spiega:"Per essere sicuri di prendere in considerazione tutti i possibili effetti diversi dai polaroni, ad esempio la repulsione reciproca degli elettroni, abbiamo lavorato insieme ai teorici del Forschungszentrum Jülich. Tuttavia, non c'è aumento di massa nel esperimento per il quale bisognerebbe postulare i polaroni."
Nessun effetto Rashba gigante
La seconda ipotesi presuppone un gigantesco effetto Rashba per limitare le perdite dovute alla ricombinazione dei portatori di carica. L'effetto Rashba si basa su un forte accoppiamento spin-orbita che potrebbe essere prodotto nelle perovskiti di alogenuro di piombo dal piombo di metallo pesante. Ancora una volta, il lavoro precedente ha indicato questo effetto come una possibile spiegazione della lunga durata dei portatori di carica. Maryam Sajedi ha esaminato campioni di entrambi i CsPbBr3 inorganici e MAPbBr3 ibrido-organico con spin ARPES e analizzato i dati di misura. "Questo effetto è almeno cento volte inferiore a quanto ipotizzato", commenta il risultato.
La falsificazione aiuta a progredire
"Siamo stati in grado di confutare sperimentalmente due ipotesi comuni sulle proprietà di trasporto nelle perovskiti, il che è un risultato importante", afferma Rader. L'eliminazione delle ipotesi non valide è molto utile per l'ulteriore ottimizzazione di quei materiali. + Esplora ulteriormente
