Uimarishaji wa Thermodinamiki wa Perovskites Mchanganyiko-Halidi Dhidi ya Mgawanyiko wa Awamu

Orodha ya Yaliyomo

1. Utangulizi

Vihisabakio vya perovskite vya metali-halidi vimebadilisha kabisa optoelectronics kwa sifa zao bora ikiwa ni pamoja na viwango vya juu vya kunyonya, msongamano mdogo wa mitego, na uwezo wa kurekebisha pengo la bendi. Perovskites mchanganyiko-halidi MAPb(I_1-xBr_x)₃ hutoa pengo la bendi kuanzia 1.6 eV (iodini safi) hadi 2.3 eV (bromidi safi), na kuzifanya bora kwa seli za jua za tandamu na LED zinazoweza kurekebisha rangi. Hata hivyo, nyenzo hizi zinakumbwa na mgawanyiko wa halidi unaosababishwa na mwanga, ambapo maeneo yenye iodini nyingi na yenye bromidi nyingi huundwa, na kuunda vitovu vya kuunganisha-upya vinavyoharibu utendakazi wa kifaa.

2. Mbinu za Kielelezo

2.1 Uchambuzi wa Kunyonya Mbadala Unaotegemea Shinikizo

Tulitumia uchambuzi wa kunyonya mbadala wa ultrafast (TAS) chini ya shinikizo la hidrostatiki kuanzia mazingira ya kawaida hadi 0.3 GPa. Tofauti na vipimo vya mwako-mwanga, TAS inawezesha kufuatia wakati mmoja uundaji wa kikoa chenye iodini nyingi na chenye bromidi nyingi wakati wa mgawanyiko, na kutoa ufahamu kamili wa mienendo ya mgawanyiko wa awamu.

2.2 Mkandamizo wa Kemikali Kupitia Ubadilishaji wa Kationi

Mkandamizo wa kemikali ulipatikana kwa kubadilisha kationi za methylammonium na kationi ndogo, na hivyo kupunguza kwa ufanisi ujazo wa fuwele bila shinikizo la nje. Njia hii inafananisha athari za mkandamizo wa kimwili huku ukidumisha uadilifu wa nyenzo.

Masafa ya Shinikizo

0 - 0.3 GPa

Masafa ya Pengo la Bendi

1.6 - 2.3 eV

Uboreshaji wa Uthabiti

Hadi x = 0.6

3. Matokeo na Uchambuzi

3.1 Athari za Shinikizo kwenye Mgawanyiko wa Awamu

Shinikizo la juu la nje linaongeza kwa kiasi kikubwa anuwai ya uwiano thabiti wa mchanganyiko wa halidi. Katika shinikizo la kawaida, mgawanyiko unaishia kwenye x = 0.2, lakini chini ya mkandamizo, thamani hii ya mwisho hubadilika hadi takriban x = 0.6, na kupanua kwa kasi nafasi inayotumika ya muundo.

3.2 Mabadiliko ya Uwiano wa Mwisho wa Mchanganyiko

Thamani ya mwisho ya x inategemea shinikizo la nje na muundo wa awali. Chini ya shinikizo kubwa, awamu zenye iodini nyingi na zenye bromidi nyingi hubaki karibu na muundo wa awali, zikionyesha uthabiti ulioimarishwa wa thermodinamiki katika anuwai pana ya mchanganyiko.

3.3 Tafsiri ya Thermodinamiki

Athari hizi zinaelezewa kupitia urekebishaji wa nishati huru ya Gibbs kupitia neno la PΔV: $\\Delta G = \\Delta H - T\\Delta S + P\\Delta V$. Mkandamizo hubadilisha neno la ujazo, na kuhama kiwango cha chini cha thermodinamiki na kuimarisha miundo mchanganyiko ambayo ingeweza kugawanyika.

4. Mfumo wa Kiufundi

4.1 Uundaji wa Kihisabati

Uthabiti wa thermodinamiki unaotawaliwa na mlinganyo wa nishati huru ya Gibbs: $G = U + PV - TS$, ambapo mkandamizo huathiri neno la $P\\Delta V$. Kwa perovskites mchanganyiko-halidi, nishati huru ya kuchanganywa inaweza kuonyeshwa kama: $\\Delta G_{mix} = \\Delta H_{mix} - T\\Delta S_{mix} + P\\Delta V_{mix}$.

4.2 Usanidi wa Kielelezo

Usanidi wa TAS ulitumia misukumo ya laser ya femtosecond na seli za shinikizo la hidrostatiki. Mkandamizo wa kemikali ulipatikana kwa kutumia uhandisi wa kationi na ioni ndogo kama formamidinium au cesium ili kupunguza vigezo vioo vya kimiani.

5. Mtazamo wa Kichambuzi

Ufahamu Msingi

Utafiti huu unapinga kimsingi hekima ya kawaida kwamba kutokuwa na uthabiti kwa perovskite mchanganyiko-halidi ni kikomo kisichoshindika cha nyenzo. Uthibitisho kwamba uthabiti wa thermodinamiki kupitia neno la PΔV unaweza kuzuia mgawanyiko wa awamu unawakilisha mabadiliko makubwa ya dhana katika falsafa ya kubuni perovskite.

Mkondo wa Kimantiki

Ubunifu wa kielelezo unahuisha kwa ustadi mkandamizo wa kimwili (shinikizo la nje) na mkandamizo wa kemikali (ubadilishaji wa kationi), na kuweka kanuni ya ulimwengu: ujazo wa fuwele na uwezo wa kukandamiza huamua uthabiti wa halidi. Njia hii inafanana na mikakati inayotumika katika fizikia ya shinikizo la juu na uhandisi wa nyenzo, sawa na mbinu zinazotumika katika utafiti wa seli ya pindo la almasi katika taasisi kama Taasisi ya Sayansi ya Carnegie.

Nguvu na Mapungufu

Nguvu: Uthibitisho wa njia mbili (mkandamizo wa kimwili na wa kemikali) hutoa ushahidi wa kulazimisha. Matumizi ya TAS badala ya vipimo vya kawaida vya PL hutoa ufumbuzi bora wa awamu zote mbili za mgawanyiko. Mfumo wa thermodinamiki una utumizi mpana katika miundo yote ya perovskite.

Mapungufu: Masafa ya shinikizo yaliyojaribiwa (0.3 GPa) huenda hayawakilishi hali halisi za kifaa. Uthabiti wa muda mrefu chini ya misukumo ya uendeshaji bado haujathibitishwa. Utafiti unalenga hasa MAPb(I_1-xBr_x)₃ bila uthibitisho mpana kwenye familia zingine za perovskite.

Ufahamu Unaotumika

Wazalishaji wa vifaa wanapaswa kuweka kipaumbele uhandisi wa kationi katika ukuzaji wa perovskite mchanganyiko-halidi, wakilenga kationi ndogo zinazosababisha mkandamizo wa kemikali. Utafiti unapaswa kupanuliwa kujumuisha uhandisi wa mkazo katika filamu nyembamba na uchunguzi wa mbinu mchanganyiko-ya-kationi. Kanuni ya uthabiti wa PΔV inapaswa kujumuishwa katika uchambuzi wa kompyuta wa mtiririko wa juu wa miundo ya perovskite, sawa na mbinu zinazotumika katika hifadhidata ya Mradi wa Nyenzo.

Kazi hii inalingana na mienendo inayoibuka katika uthabiti wa perovskite, inayolinganishwa na mbinu katika ukuzaji wa perovskite isiyo na risasi na mikakati ya uhandisi wa kiolesura. Mtazamo wa thermodinamiki hutoa suluhisho la msingi zaidi kuliko mbinu za kuchelewesha kinetiki, na kwa uwezekano kuwezesha uthabiti wa miaka 20 unaohitajika kwa matumizi ya kibiashara. Hata hivyo, utekelezaji halisi utahitaji kutafsiri maarifa haya ya nyenzo yaliyojumuishwa kwa usanidi wa kifaa cha filamu nyembamba bila kuvuruga sifa za elektroniki.

6. Matumizi ya Baadaye

Uimarishaji wa perovskites mchanganyiko-halidi unafungua matumizi mengi:

Seli za Jua za Tandamu: Perovskites thabiti zenye pengo pana la bendi kwa vifaa bora vya makutano mengi
LED Zinazoweza Kubadilika Rangi: Mtoaji wa wigo mzima unaoonekana na kuratibu thabiti za rangi
Vigunduzi-vyo-Mwanga: Majibu yanayoweza kubadilika ya spektra kwa matumizi maalum ya kuhisi
Vigunduzi-vya Mionzi-X: Uthabiti ulioimarishwa kwa vifaa vya picha za matibabu

Utafiti wa baadaye unapaswa kulenga kuendeleza filamu nyembamba zilizo na uhandisi wa mkazo, kuchunguza njia mbadala zisizo na risasi, na kuunganisha perovskites hizi zilizoimarishwa katika usanidi wa kifaa cha kibiashara.

7. Marejeo

Hutter, E. M. et al. Uimarishaji wa Thermodinamiki wa Perovskites Mchanganyiko-Halidi Dhidi ya Mgawanyiko wa Awamu. Ripoti za Seli za Sayansi ya Fizikia (2021)
Mradi wa Nyenzo. Hifadhidata ya Miundo ya Fuwele ya Perovskite. https://materialsproject.org
Taasisi ya Sayansi ya Carnegie. Utafiti wa Fizikia ya Shinikizo la Juu. https://carnegiescience.edu
Maabara ya Kitaifa ya Nishati Endelevu. Uthabiti wa Seli za Jua za Perovskite. https://nrel.gov/pv
Walsh, A. et al. Ubunifu wa Perovskites Mpya kwa Seli za Jua. Nyenzo za Asili (2020)