Команда вчених з Національної лабораторії Еймса Міністерства енергетики США розробила новий інструмент визначення характеристик, який дозволив їм отримати унікальне уявлення про можливий альтернативний матеріал для сонячних елементів. Під керівництвом Jigang Wang, старшого наукового співробітника з Ames Lab, команда розробила мікроскоп, який використовує терагерцові хвилі для збору даних про зразки матеріалу. Потім команда використала свій мікроскоп для дослідження йодиду свинцю метиламонію (MAPbI3) перовскіту, матеріалу, який потенційно може замінити кремній у сонячних елементах.
Річард Кім, вчений з лабораторії Ames, пояснив дві особливості, які роблять новий що сканує зондовий мікроскоп унікальним. По-перше, мікроскоп використовує терагерцовий діапазон електромагнітних частот для збору даних про матеріали. Цей діапазон знаходиться набагато нижче спектра видимого світла, потрапляючи між інфрачервоною та мікрохвильовою частотами. По-друге, світло терагерцового діапазону пропускається крізь гострий металевий наконечник, що розширює можливості мікроскопа до нанометрових масштабів.
«Зазвичай, якщо у вас є світлова хвиля, ви не можете побачити речі, менші за довжину хвилі світла, яке ви використовуєте. А для цього терагерцового світла довжина хвилі становить близько міліметра, тому вона досить велика», — пояснив Кім. «Але тут ми використали цей гострий металевий наконечник із вершиною, загостреною до 20-нанометрового радіуса кривини, і він діє як наша антена, щоб бачити предмети, менші за довжину хвилі, яку ми використовували».
Використовуючи цей новий мікроскоп, команда досліджувала перовскітний матеріал MAPbI3, який нещодавно зацікавив вчених як альтернативу кремнію в сонячних елементах. Перовскіти — це особливий тип напівпровідника, який переносить електричний заряд, коли на нього потрапляє видиме світло. Основна проблема використання MAPbI 3 у сонячних елементах полягає в тому, що він легко руйнується під впливом таких елементів, як тепло та волога.
За словами Вана та Кіма, команда очікувала, що MAPbI3 поводитиметься як ізолятор, коли вони піддадуть його впливу терагерцевого світла. Оскільки дані, зібрані на зразку, є показаннями того, як світло розсіюється, коли матеріал піддається дії терагерцових хвиль, вони очікували постійного низького рівня розсіювання світла в усьому матеріалі. Однак вони виявили, що розсіювання світла вздовж межі між зернами сильно варіюється.
Кім пояснив, що провідні матеріали, такі як метали, матимуть високий рівень розсіювання світла, тоді як менш провідні матеріали, такі як ізолятори, не матимуть такого сильного. Велика варіація розсіювання світла, виявлена вздовж меж зерен у MAPbI3, проливає світло на проблему деградації матеріалу.
Протягом тижня команда продовжувала збирати дані про матеріал, і дані, зібрані за цей час, показали процес деградації через зміни рівнів розсіювання світла. Ця інформація може бути корисною для вдосконалення та маніпулювання матеріалом у майбутньому.
«Ми вважаємо, що це дослідження демонструє потужний інструмент мікроскопії для візуалізації, розуміння та потенційного пом’якшення деградації меж зерен, уловлювання дефектів і деградації матеріалів», — сказав Ван. «Краще розуміння цих проблем може дозволити розробляти високоефективні фотоелектричні пристрої на основі перовскіту протягом багатьох років».