Förståelse och styrning av excitoner, laddningar och defekttillstånd i nya noll-, två- och tre-dimensionella vismutperovskiter för optoelektroniska tillämpningar

Tidsperiod:

1 januari 2017 – 31 december 2020

Projektledare:

Erik Johansson

Projektdeltagare:

Michael Odelius

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 400 000 SEK

Perovskiter baserade på bly och halogener har de senaste åren visat sig ha lovande egenskaper för användning i optoelektroniska tillämpningar. Speciellt har man visat att dessa perovskiter ger väldigt effektiva solceller, men de fungerar även i laser- och fotosensortillämpningar. Solceller baserade på bly-perovskiterna har snabbt utvecklats mot höga verkningsgrader för omvandling av solljus till elektricitet, och vi har i vår forskargrupp bidragit till denna utveckling. En nackdel med dessa perovskiter är dock innehållet av bly, vilket är en giftig metall. Perovskiterna är dessutom vattenlösliga, vilket gör att bly kan frigöras om en solcellsmodul skadas. Om solceller baserade på denna perovskit skulle tillverkas och användas i stor skala över hela jorden finns det därför risk för spridning av bly. Vi har därför undersökt möjligheten att ersätta bly för att få fram liknande perovskiter med andra metaller och förra året upptäckte vi att man istället kan använda en vismut-perovskit i solcellen. Vismut är mycket mindre giftigt än bly vilket gör att solceller baserade på vismut-perovskit skulle vara att föredra. Solcellerna med vismut-perovskit fungerar men tyvärr har vi ännu inte lyckats få lika effektiva solceller med vismut-perovskiten som med bly-perovskiterna, så vi behöver därför förstå mer om dessa material och även undersöka flera varianter av vismut-perovskit. I detta projekt kommer vi att undersöka de fundamentala egenskaperna hos vismut-perovskiten och även göra nya vismut-perovskiter med en lite annan sammansättning, vilket påverkar egenskaperna. Vismut-perovskiterna kommer t.ex. att bestå av en blandning av vismut-joner, jod-joner och cesium-joner. Salter av dessa joner löses i ett lösningsmedel, och lösningen sprids över en yta, torkas och värms, vilket resulterar i vismut-perovskiten. Med förändringar i sammansättningen kan man göra vismut-perovskiter med olika elektroniska och optiska egenskaper. Karaktären hos de olika vismut-perovskiterna vi kommer att undersöka kan kallas noll-, två, och tre-dimensionell. Den noll-dimensionella perovskiten består av små molekylära enheter, som till viss del är separerade från varandra. I den tre-dimensionella perovskiten är dessa molekylära enheter sammankopplade, vilket ger en mer sammanhängande elektronisk karaktär av materialet. Vi kommer att undersöka dessa perovskiter med olika avancerade metoder, t.ex. laser och röntgen-spektroskopier och vi kommer även att göra teoretiska beräkningar på materialen för att jämföra med mätningarna och för att få en djupare förståelse. Från mätningarna och beräkningarna ska vi försöka förstå hur ljus fångas upp i vismut-perovskiterna, och vad som händer efter att ljuset (fotoner) har absorberats. Då ljus absorberas får en elektron extra energi (exciteras) i materialet, och vi ska försöka förstå vad som händer i detalj med denna ”exciterade” elektron och hur den påverkas av det hålrum som den lämnar efter sig när den har exciterats. Vi kommer även att försöka förstå hur elektroner rör sig i materialen och hur ljus kan skickas ut från materialen. Vi kommer också att göra solceller baserade på vismut-perovskiterna vilket ger en direkt koppling till en tillämpning. Vi kommer att mäta hur effektiva solceller man kan göra med dessa material, och vilket ljus från solen de tar upp. En intressant effekt som man har upptäckt i noll-dimensionella material är möjligheten att få flera exciterade elektroner med bara en ljuspartikel (foton). Detta skulle vara speciellt intressant för att få fram effektiva solceller, och vi kommer därför att undersöka om denna process sker i våra noll-dimensionella vismut-perovskiter. Förståelsen från de avancerade mätningarna och teorin kommer att kopplas till mätningarna på solcellerna, och denna länk kommer att vara speciellt viktig för att förstå hur vi ska kunna förändra våra vismut-perovskiter för att göra mer effektiva solceller. Våra resultat kommer att publiceras i tidsskrifter och kommer även att presenteras på ko