Detailed Characterization of Methylammonium and Formamidinium Bismuth Iodide Perovskite Thin Films, Focusing on Electrical Properties for Optoelectronic Applications

In de wereld van zonne-energie zoeken wetenschappers al lang naar materialen die zonlicht kunnen opvangen en efficiënter in elektriciteit kunnen omzetten dan de huidige siliciumpanelen. Jarenlang hebben een familie van materialen bekend als perovskieten veelbelovendheid getoond, maar veel van de beste presteerders bevatten lood, een giftig metaal dat milieu- en gezondheidsrisico's met zich meebrengt. Dit heeft onderzoekers gedreven naar het zoeken naar veiligere, loodvrije alternatieven die nog steeds dezelfde eigenschap bezitten om elektrische ladingen te geleiden. Onder de meest veelbelovende kandidaten behoren verbindingen gemaakt met bismuth, een veel minder giftig metaal. Het simpelweg vervangen van lood door bismuth verandert echter de manier waarop het materiaal zich gedraagt. Om deze nieuwe materialen bruikbaar te maken, moeten wetenschappers precies begrijpen hoe elektriciteit door hen beweegt, hoe ze licht absorberen en hoe hun interne kristalstructuren zijn gerangschikt. De uitdaging ligt in het feit dat deze materialen complex zijn; hun prestaties hangen sterk af van de specifieke atomen die worden gebruikt om hen op te bouwen en van de manier waarop de dunne lagen van het materiaal worden vervaardigd.

Een team van onderzoekers van universiteiten in Slovenië en Noord-Macedonië zette zich scharpe in om twee specifieke versies van deze bismuth-gebaseerde materialen te onderzoeken. Ze concentreerden zich op verbindingen waarbij de bismuth- en jodiumatomen zijn gekoppeld aan methylammonium of formamidinium, kleine organische moleculen die fungeren als structurele tussenruimtes binnen het kristal. De onderzoekers creëerden deze materialen in het laboratorium, waarbij ze ze eerst lieten groeien als vaste kristallen en ze vervolgens transformeerden in zeer dunne, uniforme films op glazen plaatjes, een proces dat essentieel is voor het maken van zonnecellen. Door deze films zorgvuldig te onderzoeken, beoogde het team hun optische eigenschappen te bepalen, zoals hoeveel energie er nodig is om een elektron vrij te maken, en hun elektrische gedrag, specifelijk hoe gemakkelijk ladingen door het materiaal kunnen bewegen bij verschillende temperaturen.

Het team begon met het bevestigen dat zij de juiste chemische structuren succesvol hadden gecreëerd. Met behulp van röntgendiffractie, een techniek die de rangschikking van atomen onthult door röntgenstraling tegen een monster te laten botsen, verifieerden zij dat de kristallen de verwachte patronen vormden. Ze bekeken de films ook onder krachtige microscopen om de oppervlaktekwaliteit te controleren. De beelden toonden aan dat beide typen films glad en continu waren, zonder grote openingen of scheuren, wat cruciaal is voor een goed functionerend apparaat. Er kwam één subtiel verschil aan het licht: de film gemaakt met de formamidiniummoleculen leek aan het oppervlak iets regelmatiger en ordelijker dan de film gemaakt met methylammonium, wat suggereert dat de grootte en vorm van het organische molecuul invloed hebben op hoe het kristal zich tijdens de productie vestigt. Chemische analyse bevestigde dat de verhouding tussen de bismuth- en jodiumatomen exact was zoals voorspeld, wat garandeerde dat de materialen puur en vrij van ongewenste onzuiverheden waren.

Vervolgens maten de onderzoekers hoe deze films met licht interageren. Wanneer licht een materiaal raakt, kan het geabsorbeerd worden als het licht genoeg energie draagt om een elektron in een staat te duwen waarin het kan bewegen en een stroom kan dragen. Het team stelde vast dat beide materialen het licht zeer goed absorberen, met name in de blauwe en groene delen van het zichtbare spectrum, waardoor de films een duidelijke oranje of donkerrode kleur krijgen. Door de absorptiedata te analyseren, berekenden zij de energiegap, wat de minimale hoeveelheid energie is die vereist is om een elektron vrij te maken. Zij bepaalden dat de methylammonium-versie een energiegap heeft van 1,98 elektronvolt, terwijl de formamidinium-versie een iets kleinere gap heeft van 1,74 elektronvolt. Dit verschil is significant omdat een kleinere gap het materiaal in staat stelt om een breder bereik van zonlicht te oogsten. De gegevens gaven aan dat beide materialen zich gedragen als indirecte halfgeleiders, een specifiek type gedrag waarbij de beweging van elektronen een verandering in impuls met zich meebrengt, wat het proces iets complexer maakt dan bij directe halfgeleiders.

Om te begrijpen hoe elektriciteit daadwerkelijk door deze films reist, voerde het team impedantiespectroscopie uit, een methode die meet hoe het materiaal weerstand biedt aan de stroom van elektrische stroom over een breed scala aan frequenties en temperaturen. Ze observeerden dat naarmate de temperatuur toenam, de weerstand van het materiaal afnam, een gedrag dat typerend is voor halfgeleiders waarbij warmte helpt om ladingsdragers vrij te maken. De metingen onthulden dat de beweging van elektriciteit niet vloeiend en continu is, maar eerder plaatsvindt via een "hopmechanisme". In dit proces springen ladingen van de ene gelokaliseerde plek naar de andere, waarbij ze kleine energiebarrières overwinnen. De onderzoekers berekenden dat de energie die nodig is voor deze sprongen ongeveer 0,5 elektronvolt is voor beide materialen. Deze waarde is hoger dan wat gewoon is bij loodhoudende perovskieten, wat suggereert dat hoewel bismuth-materialen veiliger zijn, ze momenteel ladingen langzamer verplaatsen.

De studie onthulde ook details over waar de weerstand binnen het materiaal vandaan komt. De elektrische signalen gaven aan dat de grenzen tussen de kleine kristallen, of korrels, die de film vormen, resistiever zijn dan de korrels zelf. Dit betekent dat de weg van de minste weerstand vaak wordt geblokkeerd door de interfaces waar deze kristallen elkaar ontmoeten. Bovendien volgde de relaxatie van elektrische ladingen, of hoe snel ze reageren op een veranderend veld, geen eenvoudig, uniform patroon. In plaats daarvan vertoonden de ladingen een spreiding van reactietijden, wat wijst op een complexe interne omgeving met veel verschillende soorten obstakels. Ondanks deze hindernissen bevestigden de onderzoekers dat de materialen over de fundamentele eigenschappen beschikken die nodig zijn voor opto-elektronische apparaten. Zij concludeerden dat hoewel de bismuth-gebaseerde films nog niet zo efficiënt zijn als hun loodhoudende tegenhangers, hun stabiliteit en lage toxiciteit hen sterke kandidaten maken voor toekomstige ontwikkeling, vooral als wetenschappers manieren kunnen vinden om de verbindingen tussen de kristallen te verbeteren zodat elektriciteit vrijer kan stromen.