Datos de medición ARPES a lo largo de una dirección específica en la red recíproca para varias energías de fotones. La masa efectiva de los electrones se puede derivar de la curvatura alrededor de los máximos. Los datos no muestran cambios dramáticos en la masa efectiva. Crédito:HZB
Muchas hipótesis buscan explicar las propiedades particularmente favorables de los semiconductores de perovskita para las células solares. Se cree que los polarones o un efecto Rashba gigante, por ejemplo, juegan un papel importante. Ahora, un equipo de BESSY II ha refutado experimentalmente estas hipótesis. Al hacerlo, reducen aún más las posibles causas de las propiedades de transporte y permiten mejores enfoques para la optimización específica de esta clase de materiales.
La investigación sobre perovskitas de haluro de plomo orgánico inorgánico e híbrido ha estado en auge durante varios años. Esta clase de materiales tiene propiedades extremadamente interesantes:por ejemplo, algunos semiconductores de perovskita también convierten el espectro azul rico en energía de la luz solar en energía eléctrica, por lo que las células solares basadas en perovskitas en tándem con subcélulas de silicio ahora alcanzan eficiencias del 30%. Los semiconductores de perovskita también son adecuados para diodos emisores de luz, como láseres semiconductores y detectores de radiación. A diferencia de los semiconductores convencionales, estos materiales se pueden producir de forma económica y con poco gasto de energía a partir de soluciones para producir películas delgadas.
Pero incluso después de años de intensa investigación, los procesos microscópicos en los semiconductores de perovskita que aseguran un transporte de carga superior no se comprenden en detalle. Lo único que está claro es que los portadores de carga que se liberan en el material por la luz solar aparentemente tienen una vida útil prolongada y se pierden con menos frecuencia, por ejemplo, por defectos o por recombinación.
Los investigadores han desarrollado hipótesis para explicar este comportamiento, que ahora un equipo de BESSY II ha probado experimentalmente. El equipo dirigido por el Prof. Oliver Rader fue asesorado por la experta en perovskita, la Prof. Eva Unger de HZB, quien también proporcionó las instalaciones en el laboratorio HySPRINT para la preparación de muestras.
Polarones
Una hipótesis es que los polarones se forman en las perovskitas de haluro de plomo y contribuyen al transporte de carga. Estos polarones son oscilaciones de iones en la red cristalina que reaccionan al movimiento de los electrones debido a su carga. Dado que las perovskitas consisten en iones negativos (aquí plomo) y positivos (aquí cesio), la suposición de que los polarones juegan un papel era obvia. Las mediciones realizadas por otro grupo también parecieron respaldar esta hipótesis.
ARPES-Datos:Sin polarones grandes
En BESSY II, sin embargo, esta hipótesis se puede probar en detalle experimentalmente. Con la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), es posible escanear las estructuras de bandas electrónicas. Una parte importante de los polarones en el transporte de carga se haría evidente a través de una masa efectiva más alta. ARPES mide la energía cinética de los electrones, es decir, 1/2 mv 2 con masa m y velocidad v. Cuanto más "duro" es el transporte de electrones, mayor es la llamada masa "efectiva" m. Como el momento es p =mv, la fórmula corresponde a una parábola E =(p 2 )/(2m) que se mide directamente en el experimento (ver figura):cuanto mayor sea m, menor será la curvatura de la parábola.
Sin embargo, las mediciones realizadas por Maryam Sajedi en muestras cristalinas de CsPbBr3 no mostró curvaturas más pequeñas, refutando así la hipótesis de grandes polarones. "La masa efectiva que determinamos a partir de la medición no es mayor que la predicha teóricamente", dice Maryam Sajedi. Y Oliver Rader explica:"Para asegurarnos de que tuviéramos en cuenta todos los efectos posibles además de los polarones, por ejemplo, la repulsión de los electrones entre sí, trabajamos junto con teóricos de Forschungszentrum Jülich. Sin embargo, no hay un aumento de masa en el experimento para el cual habría que postular polarones".
Sin efecto Rashba gigante
La segunda hipótesis asume un efecto Rashba gigante para limitar las pérdidas debidas a la recombinación de portadores de carga. El efecto Rashba se basa en un fuerte acoplamiento espín-órbita que el metal pesado plomo podría producir en las perovskitas de haluro de plomo. Una vez más, trabajos anteriores señalaron este efecto como una posible explicación de la larga vida útil de los portadores de carga. Maryam Sajedi examinó muestras de CsPbBr3 inorgánicos y MAPbBr3 híbrido-orgánico con spin ARPES y analizó los datos de medición. "Este efecto es al menos cien veces menor de lo que se suponía", comenta sobre el resultado.
La falsificación ayuda a progresar
"Hemos podido refutar experimentalmente dos hipótesis comunes sobre las propiedades de transporte en las perovskitas, lo cual es un resultado importante", dice Rader. La eliminación de hipótesis inválidas es muy útil para la optimización posterior de esos materiales. Comprender cómo se comportan las cargas eléctricas dentro de las perovskitas podría ayudar a mejorar su rendimiento
