Täydellisen symmetriset 2D-perovskiitit tehostavat energian kuljetusta

Rice-yliopiston tutkijat ja yhteistyökumppanit ovat luoneet uudentyyppisen kaksiulotteisen puolijohteen, joka on lähempänä kuin koskaan "täydellistä" kidettä.

Nature Synthesis -lehdessä raportoidut löydökset voivat avata uusia mahdollisuuksia aurinkokennoille ja muille optoelektronisille laitteille.

Uusi puolijohde kuuluu 2D-metallihalogenidiperovskiitteina tunnettuun materiaaliluokkaan, joka koostuu sekä orgaanisista että epäorgaanisista komponenteista. Vaikka epäorgaanisista materiaaleista valmistetut puolijohteet muodostavat yleensä erittäin järjestäytyneitä, symmetrisiä kiderakenteita, sama ei yleensä päde perovskiitteihin, joiden pehmeämmät hilat ovat alttiimpia vääristymille, jotka voivat rajoittaa suorituskykyä.

Aditya Mohiten johtama tutkijaryhmä suunnitteli monikerroksisen 2D-perovskiitin, jossa ei ole tällaisia vääristymiä. Tämä tarkoittaa, että energia voi liikkua materiaalin läpi jäämättä loukkuun.

”Se on lähes täydellisintä symmetristä kidettä ja tietääksemme tämä on ensimmäinen kerta, kun tämä on osoitettu monikerroksisessa 2D-perovskiittijärjestelmässä huoneenlämmössä”, sanoo Mohite, ”Kaikki absorboituva valo muodostaa näitä materiaalivirityksiä, joita kutsutaan eksitoneiksi, jotka voivat sitten edetä materiaalin läpi yli kahden mikrometrin matkan menettämättä energiaa. Se on iso juttu, koska harvat materiaalit pystyvät tähän.”

Eksitonikuljetuksen osalta uuden 2D-perovskiitin suorituskyky on suuruusluokkaa parempi kuin aiemmin raportoiduilla perovskiiteilla ja samalla tasolla kuin yksikerroksisilla siirtymämetallidikalkogenideillä, jotka ovat uuden sukupolven 2D-materiaaleja, joita käytetään useissa sovelluksissa, mukaan lukien ultraherkät anturit ja integroidut elektroniset piirit.

Edistys perustui osittain erilaiseen tapaan valmistaa materiaalia. Sen sijaan, että kiteiden olisi annettu muodostua liuoksen jäähtyessä, tutkijat poistivat ne korkeammissa lämpötiloissa lukiten halutun rakenteen ennen kuin se ehti muuttua.

"Kahdessa suunnassa se näyttää perovskiitilta, ja kolmannessa suunnassa kolme perovskiittikerrosta on yhdistetty toisiinsa", sanoo Isaac Metcalf. "Aiemmin ihmiset olivat pystyneet yhdistämään vain kaksi perovskiittikerrosta käyttämällä tätä kemiallisesti stabiilia formamidiniumkationia näiden kerrosten sisällä. Tämä on ensimmäinen kerta, kun joku on yhdistänyt kolme tai useampia kerroksia tässä konfiguraatiossa."

Tämä lisäpaksuus on tärkeä, koska se muuttaa materiaalin vuorovaikutusta valon kanssa. Kun useampia kerroksia pinotaan, valon absorboimiseen tarvittava energiakynnys eli energiaväli pienenee, jolloin materiaali pystyy vangitsemaan laajemman osan auringon spektristä.

Löydöksillä voi olla merkitystä myös seuraavan sukupolven optoelektronisille ja kvanttilaitteille sekä tandem-aurinkokennoille, joissa kaksi tai useampi materiaali kerrostetaan valonspektrin eri osien tehokkaammaksi talteen ottamiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Orgaanisia kaksiulotteisia perovskiitteja

Innovatiivisia rajapintoja tehokkaille perovskiittisille aurinkokennoille