توضیح تصویر:  Arashdeep Singh Thind، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه روحان میشرا، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی با وضوح اتمی، مرزهای دانه را در کریستال مطالعه کرد (نگاه کنید به فلش‌ها).

در تلاش برای طراحی سلول‌های خورشیدی کارآمد و دیودهای نوری (LEDs)، یک تیم از مهندسان، انواع مختلف نقص در مواد نیمه هادی را تجزیه و تحلیل کرده است که این ابزارها را قادر می‌سازد تا تعیین کنند که آیا و چگونه بر عملکرد تاثیر می‌گذارند.
 
روحان میشرا، استادیار مهندسی مکانیک و علوم مواد در دانشکده مهندسی مک کالوی در دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس، رهبری یک گروه گسترده از محققان از جمله در دانشگاه واشنگتن، در آزمایشگاه ملی اوج ریج در تنسی و در دانشگاه میسوری کلمبیا را به عهده داشت که ساختار و خصوصیات نقصهای معمولی که در مقیاس اتمی رخ می‌دهند و تنها چند دهم یک نانومتر وسعت دارند را تحت مطالعه قرار می‌داد.
 
تیم میشرا روی پروفسکایت‌های سرب-هالید، که  طبقه جدیدی از نیمه هادی‌های با کارآیی بالا هستند که برای نسل بعدی سلول‌های خورشیدی ارزان قیمت مورد بررسی قرار می‌گیرند، مطالعه می‌کنند و آنها را برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق با راندمان بالا، مورد بررسی قرار می‌دهند.
 
هنگامی که این مواد ساخته می‌شود، در جایی که کریستال‌های مختلف با هم برخورد دارند و به عنوان مرز دانه شناخته شده است نقص می‌تواند رخ دهد. در نیمه رسانای معمولی، این نقص می‌تواند هدایت الکتریکی و بهره وری تبدیل انرژی خورشیدی به برق را کاهش دهد. با این حال، در پروفسکایت‌های سرب-هالید، گزارش‌های تجربی متفاوتی در مورد فعالیت مرز دانه‌ها وجود دارد. در برخی موارد، آنها مضر هستند، در حالی که در موارد دیگر آنها هیچ تاثیری بر عملکرد ندارند و یا حتی سودمند هستند. اما، تا به امروز، هیچ کس نمی فهمید چرا. تیم میشرا این علت را در مجله مواد پیشرفته توضیح داد. مهندسین، ساختار و خواص نقایص مسطح که معمولاً در مقیاس اتمی رخ می‌دهند و تنها چند دهم یک نانومتر پهنا دارند را مورد مطالعه قرار داده‌اند.
 
Arashdeep Singh Thind، دانشجوی کارشناسی ارشد در آزمایشگاه روحان میشرا، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی با وضوح اتمی، مرزهای دانه را در کریستال مطالعه کرد (نگاه کنید به فلش‌ها در تصویر).
 
میشرا گفت: "یک نقص کوچک در مقیاس اتمی تأثیر زیادی بر روی سلول خورشیدی دارد. اگر یک اتم خاص در این مرز دانه‌ها از بین رفته باشد، سلول شما به خوبی کار نخواهد کرد."
 
Arashdeep Singh Thind، دانشجوی دکترا در موسسه علوم و مهندسی دانشگاه واشنگتن که در آزمایشگاه میشرا کار می‌کند، در آزمایشگاه ملی Oak Ridge، تصویربرداری با یکی از قدرتمندترین میکروسکوپ‌های الکترونی را انجام داده است تا ساختار اتمی مرزهای دانه را بررسی کند. گوانفو لو، یک دانشمند سابق در آزمایشگاه میشرا که معاون دانشگاه علم و صنعت جنوب در شنزن چین است، سپس از محاسبات کوانتومی مکانیکی بر روی برخی از سریعترین ابر رایانه‌ها استفاده کرد تا ویژگی‌های الکترونیکی این مرزهای دانه را درک کند.
 
در نیمه رسانای سیلیکونی، مرز دانه‌ها باعث تخریب می‌شوند، اما در پروفسکایت‌های سرب-هالید، ممکن است اینگونه نباشد. و این بستگی به غلظت یون‌های هالید دارد، که عنصری حیاتی برای تعیین خواص است.
 
میشرا گفت: "اگر کریستال‌ها را در یک محیط هالیدیِ ضعیف رشد دهید، مرز دانه‌ها برای عملکرد بسیار وحشتناک هستند." "اما اگر بتوانید به هر طریقی آنها را رشد دهید یا آنها را در اتمسفری غنی از هالید گرم و سپس بازترکیب (یا اصطلاحا آنیل) کنید، مرز دانه‌ها خوب خواهند شد."
 
تیند همچنین به نوع دیگری از نقص مسطح شناخته شده به نام نقص‌های رودلسن-پوپر نگاه کرد که در آن سطوح کریستال به طور اشتباه روی هم پشته می‌شوند، به عنوان مثال، به جای اینکه در ردیفهای مرتب ردیف شود، یکی از ردیفها به واسطه ستون اتمی کمی به سمت چپ یا راست شیفت پیدا می‌کند. مجددا با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی، لو و میشرا متوجه شدند که با داشتن تراکم زیادی از چنین نقص‌های انباشته شدگی، ممکن است بتوان نوری روشن از نانوذرات بزرگ و پایدار معین برخی از پروفسکایت‌های سرب-هالید دریافت کرد که می‌تواند به طور بالقوه راه را برای ساخت LEDهایی با عمر طولانی‌تر باز کند.
 
میشرا گفت: "چالش برای تجربه‌گران این است که انباشتگی نقص‌ها را در فاصله‌های دوره‌ای مهندسی کنند."
 
در تحقیقات مرتبط با انتشار یافته در ACS Applied Nano Materials 16 اکتبر، تیم میشرا با محققان دانشگاه میسوری-کلمبیا مشغول به کار بود که مسیر شیمیایی جدیدی را برای ارتقای رشد پروفسکایت‌های سرب-هالید با تراکم بالا از این نقص‌های انباشته شده پیدا کرد. با برداشتن لیگاندهای سطح، که یون یا مولکولی است که به یک اتم سطحی یک نانوکریستال متصل می‌شود، نانو بلورهای کوچک‌ترِ پروفسکایت‌ سرب-هالید ذوب شده و از حدود 8 انومتر تا 48 نانومتر در عرض 48 ساعت رشد می‌کنند.
این نانو بلورهای جدید به علت نقص‌های انباشته شده در طول فرآیند فیوژن، که توسط تیند با استفاده از میکروسکوپ الکترونی انتقال اسکن با وضوح اتمی پیدا می‌شد، خواص نوری را به میزان قابل توجهی افزایش دادند. علاوه بر این، نانوکریستالها هنگام قرار گرفتن در معرض نور پایدارتر بوده و خطوط انتشاری واضحتری دارند و نیز عملکرد کوانتومی بالاتری دارند. با این نقایص، انتظار می‌رود نانو کریستال‌های جدید خواص انتشار نور نانوبلورهای پروفسکایت‌های سرب-هالید را بهبود بخشند، که باعث می‌شود LEDها و سایر دستگاههای اپتوالکترونیک بهتر شوند.
 
این اطلاعات جدید به مهندسانی مانند Mishra و Thind اطلاعات بیشتری می‌دهد برای پیدا کردن جایگزینی برای سرب در سلول‌های خورشیدی، که نه تنها حاوی ماده سمی سرب هستند، بلکه در نور، رطوبت و گرما ناپایدار هستند و در عرض چند روز متلاشی می‌شوند و سرب را در آب‌های زیرزمینی رها می‌کنند. میشرا در حال بررسی این است که آیا یک عنصر غیر سمی - بیسموت، همسایه سرب در جدول تناوبی - یک جایگزین امن و به همان اندازه کارآمد برای سرب در پروفسکایت‌ها  هست یا نه.
 
 
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس.
 
برگرفته از مجله:
Arashdeep Singh Thing، Guangfu لو، اردن A. Hachtel، ماریا V. مورل، سونگ Beom Cho، Albina Y. Borisevich، خوان کارلوس Idrobo، Yangchuan Xing، روحان میشرا. ساختار اتمی و فعالیت الکتریکی مرزهای دانه و نقایص رودلسن-پوپر در برومید سرامیک پروزویت. مواد پیشرفته، 2019؛ 31 (4): 1805047 DOI: 10.1002 / adma.201805047
مترجم: علی رضایی میر قائد