Перовскиты — это оптически активные полупроводниковые соединения, которые, как известно, обладают интересными электронными, светоизлучающими и химическими свойствами. За последние несколько лет перовскиты с галогенидом свинца стали одними из самых многообещающих полупроводников для солнечных элементов благодаря их низкой стоимости, простоте обработки и высокой эффективности преобразования энергии.
Фотоэлектрические элементы, изготовленные из этих материалов, в настоящее время достигают эффективности преобразования энергии более 20 процентов.Исследования Vela были сосредоточены на смешанных галогенидных перовскитах.
Галогениды — это простые и многочисленные отрицательно заряженные соединения, такие как йодид, бромид и хлорид. Перовскиты со смешанными галогенидами представляют интерес по сравнению с перовскитами с одним галогенидами по ряду причин. По словам Вела, смешанные галогенидные перовскиты обладают повышенной термической и влагостойкостью, что делает их менее быстро разлагающимися, чем перовскиты с одним галогенидом.
Он добавил, что их можно настроить для поглощения солнечного света на определенных длинах волн, что делает их полезными для тандемных солнечных элементов и многих других приложений, включая светоизлучающие диоды (светодиоды). Используя эти соединения, ученые могут контролировать цвет и эффективность такой энергии. устройства преобразования.Предполагая, что эти улучшения как-то связаны с внутренней структурой смешанно-галогенидных перовскитов, Вела, которая также является адъюнкт-профессором химии в Университете штата Айова (ISU), работала с учеными, имеющими опыт в твердотельном ядерном магнитном резонансе (ЯМР). ) как в лаборатории Эймса, так и в ИСУ. ЯМР — это метод аналитической химии, который предоставляет ученым физическую, химическую, структурную и электронную информацию о сложных образцах.
«Наш основной вопрос заключался в том, что такого особенного в этих материалах с точки зрения их химического состава, состава и структуры, которые могут повлиять на их поведение», — сказал Вела.Ученые обнаружили, что в зависимости от того, как материал изготовлен, могут присутствовать значительные нестехиометрические примеси или «легирующие примеси», проникающие в материал, которые могут значительно повлиять на химический состав материала, устойчивость к влаге и транспортные свойства.
Ответы были получены благодаря сочетанию использования спектроскопии оптического поглощения, порошковой дифракции рентгеновских лучей и, впервые, расширенных возможностей зондирования твердотельного ЯМР свинца.«Мы смогли увидеть эти легирующие примеси вместе с другими полукристаллическими примесями только с помощью твердотельного ЯМР свинца», — сказал Вела.Еще одно важное открытие, сделанное учеными, заключалось в том, что твердофазный синтез намного превосходит синтез в фазе раствора при получении перовскитов со смешанными галогенидами. По словам Вела, передовые возможности спектроскопии и материалов в лаборатории Эймса и ISU имеют решающее значение для понимания того, как различные синтетические процедуры влияют на истинный состав, видообразование, стабильность и оптоэлектронные свойства этих материалов.
«Мы обнаружили, что вы можете получать чистые смешанные галогенидные перовскиты без полукристаллических примесей, если производите их без растворителя», — сказал Вела.По словам Вела, значение их выводов многогранно, и они только начинают понимать значение этих выводов.«Одно очевидное следствие состоит в том, что наше понимание удивительных оптоэлектронных свойств этих полупроводников было неполным», — сказал Вела. «Мы имеем дело с составом, который не так прост, как думали люди».Исследование далее обсуждается в статье «Стойкие примеси и фазовая сегрегация в смешано-галогенидных перовскитах из органических соединений свинца», авторами которой являются Вела, Брайан А. Розалес, Лонг Мен, Сара Д. Кэди, Майкл П. Ханрахан и Аарон Дж.
Россини. ; и опубликованы в Интернете в Chemistry Materials. Работа поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.