Vilniaus universiteto (VU) fizikai kartu su kolegomis iš Vokietijos ir Prancūzijos nuodugniai ištyrė metaliamonio švino halogenidų dielektrinį atsaką plačiame temperatūrų ir dažnių intervale. Šiems darbams buvo pasitelktos unikalios eksperimentinės metodikos, kuriomis garsėja Fizikos fakulteto Radiofizikos katedros Mikrobangės spektroskopijos laboratorijos mokslininkai.

Vienas iš esminių veiksnių, nulemiančių saulės elementų efektyvumą, yra krūvininkų gyvavimo trukmė. Daugiausia komercinių saulės elementų yra pagaminta amorfinio silicio pagrindu – tai puikiai įsisavinta, pigi gamybos technologija, tačiau tokių saulės elementų efektyvumas nėra didelis. Kur kas didesnį efektyvumą galima pasiekti naudojant kristalinį silicį, tačiau monokristalų gamyba yra daug brangesnė.

1 pav. Organinio perovskito struktūra

Pastaraisiais metais daug dėmesio susilaukė sudėtingesnių struktūrų puslaidininkiai. Vieni iš jų – organiniai perovskitai. Tai tam tikros struktūros medžiagos (1 pav.), kurių bendroji formulė yra ABX₃. Viena iš populiariausių medžiagų – metilamonio švino halogenidai. A padėtį perovskito struktūroje užima organinė metilamonio molekulė, oktaedro karkasas X₆ gali būti sudarytas iš chloro, jodo arba bromo, o oktaedro centrą (B padėtį) užima švino jonas.

2 pav. Temperatūrinės dielektrinės skvarbos priklausomybės skirtinguose metilamonio švino chalkogeniduose.

 Ilgą laiką nebuvo suprantama, kodėl organiniai perovskitai pasižymi tokiu dideliu efektyvumu. Viena hipotezė buvo siejama su savaiminės poliarizacijos egzistavimu medžiagoje: tai reiškia, kad pačioje medžiagoje atsiranda pastovus elektrinis laukas, kurį kuria tam tikri atomų poslinkiai iš centrosimetrinių padėčių. Šio lauko kryptį turėtų būti galima valdyti išoriniu elektriniu lauku (tai feroelektrinis reiškinys, kuris yra elektrinis analogas feromagnetiniam reiškiniui). Buvo galvota, kad šis laukas padeda sugeneruotiems krūvininkams nukeliauti didesnį atstumą (kitaip tariant, padidina krūvininkų judrį).Organinių perovskitų saulės elementų efektyvumas siekia iki 25 proc. Nors organinių perovskitų kristalinė struktūra yra kur kas sudėtingesnė nei plačiai taikomų vienanarių ar dvinarių puslaidininkių, jų sintetinimas nėra brangus ir sudėtingas. Tai daro šias medžiagas itin patrauklias saulės energetikai.

Aukšto efektyvumo priežastis yra didelė dielektrinė skvarba plačiame dažnių intervale. Organinių perovskitų dielektrinė skvarba yra tris kartus didesnė nei kristalinio silicio. Dėl šių unikalių savybių vyksta krūvininkų ekranavimas, dėl kurio smarkiai išauga krūvininkų gyvavimo trukmė. Be to, medžiagoje susidarę eksitonai lengvai skyla kambario temperatūroje, todėl sumažėja tiesioginės rekombinacijos tikimybė. Krūvininkai gali difunduoti didelius atstumus, o tai ir nulemia didelį efektyvumą. VU mokslininkų su kolegomis atlikti tyrimai parodė, kad savaiminės poliarizacijos negalima valdyti išoriniu lauku. Iš temperatūrinių dielektrinės skvarbos priklausomybių nustatyta, kad šios medžiagos nėra feroelektrikai, todėl ir savaiminė poliarizacija negali būti didelio efektyvumo priežastimi.

 Didelė dielektrinė skvarba metilamonio švino halogeniduose yra susijusi su faziniais virsmais (fazinis virsmas – medžiagos transformacija į žemesnės simetrijos būseną dėl tam tikro nestabilumo kristalinėje gardelėje). Iš atliktų tyrimų buvo galutinai nustatyta, kad visose tirtose kompozicijose faziniai virsmai yra susiję su metilamonio molekulės susitvarkymu, o tai nulemia didelę dielektrinę skvarbą net ir subteraherciniuose dažniuose.

Aptartieji rezultatai buvo publikuoti prestižiniame žurnale „Advanced Energy Materials“. Didelė dalis eksperimentų buvo atlikti Fizikos fakulteto Radiofizikos katedros jaunųjų mokslininkų, vadovaujamų prof. Jūro Banio. Ženkliai prie eksperimentų prisidėjo doktorantas Sergejus Balčiūnas ir kiti laboratorijos darbuotojai: Maksim Ivanov, Šarūnas Svirskas. Dr. Vytautas Samulionis ir doktorantas Jaroslavas Belovickis pirmąkart atliko šių kristalų ultragarsinius tyrimus. Radiofizikos katedroje organinių perovskitų tyrimai yra nauja tema, tačiau į ją aktyviai įsitraukę jaunieji mokslininkai jau pasiekė svarbių rezultatų.

 Žurnalas „Advanced Energy Materials“ yra prestižinis medžiagotyros žurnalas, kuriame spausdinami aktualiausi tyrimai, susiję su energijai rinkti ir kaupti skirtomis medžiagomis. Šis žurnalas patenka į pirmąją kvartilę keliose mokslo srityse: medžiagotyros, taikomosios fizikos ir kt. Jo poveikio koeficientas (impact factor) yra 15,7.

Nuoroda į mokslininkų straipsnį: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201700600/full