Muitas hipóteses procuram explicar as propriedades particularmente favoráveis ​​dos semicondutores de perovskita para células solares. Polarons ou um efeito Rashba gigante, por exemplo, são pensados ​​para desempenhar um papel importante. Uma equipe do BESSY II agora refutou experimentalmente essas hipóteses. Ao fazer isso, eles reduzem ainda mais as possíveis causas para as propriedades de transporte e permitem melhores abordagens para a otimização direcionada dessa classe de materiais.
A pesquisa sobre perovskitas de haleto de chumbo orgânico e híbrido está crescendo há vários anos. Esta classe de materiais tem propriedades extremamente interessantes:por exemplo, alguns semicondutores de perovskita também convertem o espectro azul rico em energia da luz solar em energia elétrica, de modo que células solares baseadas em perovskitas em conjunto com subcélulas de silício agora atingem eficiências de 30%. Os semicondutores de perovskita também são adequados para diodos emissores de luz, como lasers semicondutores e detectores de radiação. Ao contrário dos semicondutores convencionais, esses materiais podem ser produzidos de forma barata e com pouco gasto de energia a partir de soluções para produzir filmes finos.

Mas mesmo após anos de pesquisa intensiva, os processos microscópicos em semicondutores de perovskita que garantem o transporte de carga superior não são compreendidos em detalhes. A única coisa que está clara é que os portadores de carga que são liberados no material pela luz solar aparentemente têm vida longa e são perdidos com menos frequência, por exemplo, por defeitos ou por recombinação.

Pesquisadores desenvolveram hipóteses para explicar esse comportamento, que uma equipe do BESSY II já testou experimentalmente. A equipe liderada pelo Prof. Oliver Rader foi aconselhada pela especialista em perovskita Prof. Eva Unger do HZB, que também forneceu as instalações do laboratório HySPRINT para a preparação de amostras.

Polarões

Uma hipótese é que os polarons se formam em perovskitas de haleto de chumbo e contribuem para o transporte de carga. Tais polarons são oscilações de íons na rede cristalina que reagem ao movimento dos elétrons devido à sua carga. Como as perovskitas consistem em íons negativos (aqui chumbo) e positivos (aqui césio), a suposição de que os polarons desempenham um papel era óbvia. As medições por outro grupo também pareceram apoiar esta hipótese.

ARPES-Dados:sem grandes Polarons

No BESSY II, no entanto, essa hipótese pode ser testada em detalhes experimentalmente. Com a espectroscopia de fotoemissão de resolução angular (ARPES), é possível escanear as estruturas de bandas eletrônicas. Uma grande parte dos polarons no transporte de carga se tornaria aparente através de uma massa efetiva mais alta. ARPES mede a energia cinética dos elétrons, ou seja, 1/2 mv ² com massa m e velocidade v. Quanto mais "resistente" for o transporte de elétrons, maior será a chamada massa "efetiva" m. Como o momento é p =mv, a fórmula corresponde a uma parábola E =(p ² )/(2m) que é medido diretamente no experimento (ver figura):quanto maior m, menor a curvatura da parábola.

No entanto, as medições realizadas por Maryam Sajedi em amostras cristalinas de CsPbBr₃ não apresentou curvaturas menores, refutando assim a hipótese de grandes polarons. "A massa efetiva que determinamos a partir da medição não é maior do que o previsto teoricamente", diz Maryam Sajedi. E Oliver Rader explica:"Para ter certeza de que levamos em conta todos os efeitos possíveis além dos polarons, por exemplo, a repulsão dos elétrons uns dos outros, trabalhamos em conjunto com os teóricos do Forschungszentrum Jülich. No entanto, não há aumento de massa no experimento para o qual seria preciso postular polarons."

Sem efeito Rashba gigante

A segunda hipótese assume um efeito Rashba gigante para limitar as perdas devido à recombinação de portadores de carga. O efeito Rashba é baseado em um forte acoplamento spin-órbita que pode ser produzido em perovskitas de chumbo-haleto pelo chumbo de metal pesado. Novamente, trabalhos anteriores apontaram para esse efeito como uma possível explicação para as longas vidas dos portadores de carga. Maryam Sajedi examinou amostras de ambos os inorgânicos CsPbBr₃ e MAPbBr orgânico-híbrido₃ com spin ARPES e analisou os dados de medição. "Esse efeito é pelo menos cem vezes menor do que se supunha", comenta ela sobre o resultado.

Falsificação ajuda no progresso

"Conseguimos refutar experimentalmente duas hipóteses comuns sobre as propriedades de transporte em perovskitas, o que é um resultado importante", diz Rader. A eliminação de hipóteses inválidas é muito útil para a otimização desses materiais. + Explorar mais

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