Pullisteleva perovskiitti

Kuva esittää polaroneja - hetkellisiä vääristymiä lyijyhybridi-perovskiitin atomihilassa. SLAC:n ja Stanfordin tutkijat havainnoivat kuinka nämä vääristymien "kuplat" muodostuvat varauksenkantajien ympärille. Tämä prosessi voi auttaa selittämään, miksi elektronit kulkevat niin tehokkaasti näissä materiaaleissa, mikä johtaa korkeaan aurinkokennon suorituskykyyn.

"Perovskiittimateriaalit ovat aurinkoenergiatutkimuksen myrskyn silmässä korkean hyötysuhteen ja edullisen hinnan takia, mutta kiistelyä käydään siitä miksi ne toimivat", kertoo Aaron Lindenberg, Stanfordin materiaali- ja energiatieteiden instituutin (SIMES) tutkija sekä SLAC:n ja Stanfordin apulaisprofessori, joka johti kysymykseen liittyvää tutkimusta.

"Ajatus siitä, että polaroneilla voi olla osuutta asiaan, on ollut olemassa useita vuosia", hän sanoo. "Mutta kokeilumme ovat ensimmäiset, jotka tarkkailevat suoraan näiden paikallisten vääristymien muodostumista, mukaan lukien niiden kokoa, muotoa ja sitä miten ne kehittyvät."

Polaronit ovat ohikiitäviä vääristymiä materiaalin atomihiloissa, jotka muodostuvat liikkuvan elektronin ympärille femtosekuntien kuluessa ja katoavat sitten nopeasti. Silti ne vaikuttavat materiaalin käyttäytymiseen ja voivat olla syy siihen, että lyijyhybridi-perovskiittiset aurinkokennot saavuttavat laboratoriossa poikkeuksellisen korkean hyötysuhteen.

Nyt SLAC:n kansallisen kiihdytinlaboratorion ja Stanfordin yliopiston tutkijat ovat käyttäneet laboratorionsa röntgenlaseria tarkkailemaan ja suoraan mittaamaan polaronien muodostumista ensimmäistä kertaa.

Jo aiemmissa SLAC-tutkimuksissa selvisi muun muassa, että perovskiiteissä valo pyörteilee atomien ympärillä ja mittauksissa selvitettiin myös akustisten fononien elinikää niiden kuljettaessa lämpöä materiaalien läpi.

"Kun pistetään materiaaliin varaus iskemällä sitä valolla, kuten tapahtuu aurinkokennossa, elektronit vapautuvat ja nämä vapaat elektronit alkavat liikkua materiaalissa", kertoi Burak Guzelturk, DOE:n Argonne National Laboratoryn tutkija.

"Pian niitä ympäröi eräänlainen paikallisten vääristymien kupla - polaroni - joka kulkee niiden mukana", hän selvittää. "Jotkut ovat väittäneet, että tämä "kupla" suojaa elektroneja siroamasta materiaalivirheistä ja auttaa selittämään, miksi ne kulkevat niin tehokkaasti aurinkokennon kontaktiin virtaamaan ulos sähkönä."

Hybridi perovskiittiristikkorakenne on joustava ja pehmeä - kuten "outo yhdistelmä kiinteää ja nestemäistä samanaikaisesti", kuten Lindenberg sanoo - ja tämä antaa polaronien muodostua ja kasvaa.

Heidän havaintonsa paljastivat, että polaroniset vääristymät alkavat hyvin pienistä - muutaman angströmin mittakaavassa, kiinteiden atomien välisestä etäisyydestä - ja laajenevat nopeasti ulospäin kaikkiin suuntiin kasvaen noin 50-kertaisesti. Tämä työntää noin 10 atomikerrosta hieman ulospäin karkeasti pallomaisella alueella kymmenien pikosekuntien kuluessa.

"Tämä vääristymä on oikeastaan melko suuri, mitä emme olleet tienneet tätä ennen", Lindenberg toteaa. "Se on jotain täysin odottamatonta." Hän lisäsi: "Vaikka tämä koe osoittaa mahdollisimman suoraan, että näitä objekteja todella on, se ei osoita, kuinka ne vaikuttavat aurinkokennon tehokkuuteen. Vielä on tehtävä työtä sen ymmärtämiseksi, miten nämä prosessit vaikuttavat näiden materiaalien ominaisuuksiin."

Animaatio pullistumasta

Aiheesta aiemmin:

Vakaita perovskiitteja

Tarkempia kiderakenteita ja proteiineja aurinkokennoihin

Perovskiitista spintroniikan perusta?