Исследователи из Университета Макгилла получили новое представление о свойствах перовскитов, одних из самых перспективных материалов в мире, в стремлении создать более эффективный, надежный и дешевый солнечный элемент.
Перовскит — это любой материал с кристаллической структурой того же типа, что и оксид титана и кальция (CaTiO3), известный как структура перовскита, или XIIA2 + VIB4 + X2-3 с кислородом в краевых центрах. Перовскиты берут свое название от минерала, который был впервые обнаружен в Уральских горах Густавом Роузом в 1839 году и назван в честь русского минералога Л. А. Перовского (1792–1856).
Общая химическая формула для соединений перовскита — ABX3, где «A» и «B» представляют собой два катиона разных размеров, а X представляет собой анион, который связывается с обоими.
В исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые использовали многомерный электронный спектрометр (MDES) — уникальный прибор, изготовленный вручную в McGill, — для наблюдения за поведением электронов в нанокристаллах перовскита иодида цезия-свинца.
MDES, которая сделал эти наблюдения возможными, способен измерить поведение электронов в течение чрезвычайно коротких периодов времени — до 10 фемтосекунд или 10 миллионных долей миллиардной доли секунды. Перовскиты — это твердые кристаллы, которые впервые привлекли внимание в 2013 году из-за их необычной перспективы в будущих солнечных элементах, которые могут быть дешевле или более устойчивы к дефектам.
Самое захватывающее открытие
«Это самый захватывающий результат, в котором я принимал участие с тех пор, как начал работать в науке в 1995 году», — сказал старший автор исследования и профессор химии McGill Патанджали Камбхампати об открытии двойственности перовскита в жидкой и твердой фазе.
«Вместо того, чтобы искать совершенство в бездефектной кремниевой микроэлектронике, здесь мы имеем дефектную, которая является дефектоустойчивой. И теперь мы знаем немного больше о том, почему это так».
Твердые вещества, действующие как жидкости
По мере того, как исследователи более пристально смотрели на кристаллы, используя MDES, они увидели нечто, что бросает вызов нашему обычному пониманию разницы между жидкостями и твердыми веществами.
«С детства мы научились отличать твердые вещества от жидкостей на основе интуиции: мы знаем, что твердые вещества имеют фиксированную форму, а жидкости принимают форму своего контейнера», — сказала Элен Сейлер, автор исследования.
«Но когда мы смотрим на то, что электроны в этом материале на самом деле делают в ответ на свет, мы видим, что они ведут себя так, как они обычно делают это в жидкости. Ясно, что они не в жидкости — они в кристалле — но их реакция на свет действительно похожа на жидкость. Основное различие между твердым телом и жидкостью состоит в том, что жидкость имеет танцующие атомы или молекулы, в то время как твердое тело имеет атомы или молекулы, более неподвижные в пространстве, как на сетке».
Hélène Seiler et al. Two-dimensional electronic spectroscopy reveals liquid-like lineshape dynamics in CsPbI3 perovskite nanocrystals, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-12830-1