Управление кристаллическими решетками материалов гибридных солнечных батарей с помощью терагерцового света

May 27, 2023

Институт Фрица Габера Общества Макса Планка, сокращенно FHI, является международным исследовательским центром, где ученые со всего мира исследуют основные принципы, лежащие в основе...

Чтобы преодолеть глобальные энергетические проблемы и бороться с надвигающимся экологическим кризисом, исследователи по всему миру исследуют новые материалы для преобразования солнечного света в электричество. Некоторые из наиболее многообещающих кандидатов для применения в высокоэффективных и недорогих солнечных элементах основаны на полупроводниках из галогенид-перовскита свинца (LHP). Несмотря на рекордные прототипы солнечных элементов, микроскопическая природа удивительно отличных оптоэлектронных характеристик этого класса материалов до сих пор не до конца понятна. Теперь международная команда физиков и химиков из Института Фрица Габера Общества Макса Планка, Политехнической школы в Париже, Колумбийского университета в Нью-Йорке и Свободного университета в Берлинепродемонстрировал лазерное управление фундаментальными движениями атомной решетки ЛГП. Применив внезапный всплеск электрического поля со скоростью более триллионной доли секунды (пикосекунды) в форме одного светового цикла дальнего инфракрасного терагерцового излучения, исследователи обнаружили сверхбыстрый отклик решетки, который может способствовать механизму динамической защиты электрических обвинения. Этот точный контроль над скручивающими движениями атомов позволит создавать новые неравновесные свойства материала, потенциально давая подсказки для проектирования материала солнечных элементов будущего.

Исследуемые материалы гибридных солнечных элементов LHP состоят из неорганической кристаллической решетки, которая действует как периодические клетки для размещения органических молекул. Взаимодействие свободных электронных зарядов с этой гибридной решеткой и ее примесями определяет, сколько электричества можно извлечь из энергии солнечного света. Понимание этого сложного взаимодействия может стать ключом к микроскопическому пониманию выдающихся оптоэлектронных характеристик LHP. Исследователи из Института Фрица Хабера в Берлине и их международные коллеги теперь смогли изолировать реакцию решетки на электрическое поле за время, превышающее 100 фемтосекунд, то есть одну десятую триллионной секунды. Электрическое поле было приложено интенсивным лазерным импульсом, содержащим только один цикл дальнего инфракрасного, так называемого терагерцового (ТГц) света. «Это ТГц поле настолько сильное и быстрое, что оно может имитировать локальное электрическое поле возбужденного носителя заряда сразу после поглощения кванта солнечного света», — объясняет Максимилиан Френцель, один из основных авторов, проводивших эксперименты.

Используя этот подход, исследователи наблюдают согласованное движение кристаллической решетки, состоящее в основном из наклонов вперед и назад октаэдрических строительных блоков неорганической клетки. Эти нелинейно возбуждаемые вибрации могут привести к (до сих пор игнорируемым) эффектам экранирования более высокого порядка, способствуя часто обсуждаемому механизму защиты носителей заряда. «Более того, соответствующий угол наклона играет доминирующую роль в определении фундаментальных свойств материала, таких как кристаллографическая фаза или электронная запрещенная зона», — поясняет доктор Себастьян Мерляйн, руководитель международного исследовательского проекта. Таким образом, вместо статической химической настройки свойств материала становится доступным сверхбыстрый динамический дизайн материалов: «Поскольку теперь мы можем модулировать эти углы скручивания с помощью одного ТГц светового цикла», - резюмирует Мерляйн, - «в будущем мы сможем контролировать свойства материала». по требованию или даже открыть новые экзотические состояния этого нового класса материалов». Оценивая такие динамические состояния материи, исследователи надеются дать некоторые подсказки для разработки энергетических материалов будущего.

- Этот пресс-релиз был первоначально опубликован на веб-сайте Института Фрица Габера Общества Макса Планка.