Naš kolega Dino Novko, u suradnji s Ivorom Lončarićem s Instituta Ruđer Bošković i znanstvenicima iz Hong Konga i Guangzhoua (N. R. Kina),  objavio je članak u prestižnom časopisu Advanced Energy Materials. Autori razjašnjavaju ulogu elektron-fonon interakcija u ultrabrzim procesima hlađenja vrućih nosioca naboja za nekoliko reprezentativnih hibridnih halidnih perovskita primjenom tranzijentne apsorpcijske spektroskopije i perturbativne teorije funkcionala gustoće.

Uncovering the Electron‐Phonon Interplay and Dynamical Energy‐Dissipation Mechanisms of Hot Carriers in Hybrid Lead Halide Perovskites

Christopher C. S. Chan, Kezhou Fan, Han Wang, Zhanfeng Huang, Dino Novko, Keyou Yan, Jianbin Xu, Wallace C. H. Choy, Ivor Lončarić, and Kam Sing Wong, Advanced Energy Materials (2021).

DOI: 10.1002/aenm.202003071

Otkriće sporog hlađenja vrućih nosioca naboja u hibridnim organsko-anorganskim halidnim perovskitima (eng. HOIP) pružilo je uzbudljive izglede za realizaciju učinkovitih solarnih ćelija koje mogu prevladati Shockley-Queisserovu granicu. Pitanja se još uvijek postavljaju oko toga kako se elektron-fonon interakcija u ovom materijalu razlikuje od interakcije u tradicionalnim polarnim poluvodičima. Ovdje se snaga elektron-fonon vezanja uobičajenih filmova perovskita (MAPbBr3, MAPbI3, CsPbI3 i FAPbBr3) dobiva korištenjem tranzijentne apsorpcijske spektroskopije kako bi se analizirala termodinamika hlađenja vrućih nosioca naboja kroz pojednostavljeni model s dvije temperature. Izračuni teorije funkcionala gustoće numerički se izvode na odgovarajućim elektronskim temperaturama kako bi se potvrdili eksperimenti. Nadalje, analizom temperature nosioca naboja u odnosu na veliki raspon fotoinducirane gustoće u HOIP-ovima dobiva se vrlo zanimljiva ovisnosti u obliku slova “S” početne temperature nosioca o gustoći. Pojava se pripisuje dominaciji velikog polaronskog zasjenjenja i efektu destabilizacije koji uzrokuju rast i pad u temperaturi pri malim snagama ekscitacije. S druge strane pojava zagušenja vrućim fononima uzrokuje učinkovito povećanje temperature nosioca za velike fotoinducirane gustoće. Nagla promjena u opaženoj ovisnosti temperature i gustoće ukazuje na kritičnu Mottovu gustoću povezanu s prijelazom nemetala u metal. Ovakva analiza elektron-fonona vezanja pruža novu perspektivu za kvantificiranje protoka energije u hibridnim halidnim perovskitima te za elektron-ion podsustave. Uz to, složeno međudjelovanje polaronskog zasjenjenja i zagušenja vrućim fononima opsežno je opisano, čime su riješene postojeće eksperimentalne kontradikcije.

Slika. 1 Dominantni mehanizmi hlađenja i mikroskopski fizikalni procesi uključeni za tri različita režima gustoće nosioca naboja u prototipskom hibridnom organsko-anorganskom halidnom perovskitu. i.) Izolirano veliko polaronsko zasjenjenje pri niskoj koncentraciji nosioca naboja; ii.) velika destabilizacija polarona inducirana efektom preklapanja pri srednjoj gustoći, gdje se odvija Mottov prijelaz iz izolatorskog ekscitonskog plina u metalnu plazmu elektrona i šupljina; iii.) efekt zagušenja vrućim fononima induciran za visoke ekscitacijske snage, pri čemu materijali pokazuju  metalična svojstva. Rezultati će pomoći u rasvjetljavanju procesa prikupljanja vrućih nosioca naboja u fotonaponskim sustavima visokih performansi.