Перовскиты: новый 'энергетический бутерброд' для технологий

Исследователи из Кембриджского университета достигли нового уровня контроля над атомной структурой галогенидных перовскитов. Им удалось создать тщательно настроенный 'энергетический бутерброд', который может кардинально изменить производство солнечных элементов, светодиодов и лазеров.

Перовскиты, благодаря их выдающейся способности поглощать и излучать свет, а также более низкой стоимости и потенциалу для более эффективного преобразования солнечного спектра по сравнению с кремнием, давно рассматриваются как перспективная альтернатива кремнию в солнечной энергетике и оптоэлектронике. Однако их нестабильность и недостаточная долговечность до сих пор ограничивали применение перовскитных устройств лабораторными условиями. Кроме того, ученые сталкивались с трудностями в точном контроле толщины перовскитных пленок и взаимодействии между различными слоями при их сборке — ключевом этапе для создания функциональных многослойных структур.

Прорыв в росте перовскитных пленок

Теперь команда исследователей под руководством Кембриджского университета разработала новый метод выращивания ультратонких перовскитных пленок с идеальным выравниванием атомов. Это открывает путь к созданию более мощных, долговечных и эффективных устройств.

Исследователи использовали паровую технику для послойного выращивания трехмерных и двухмерных перовскитов. Этот метод позволил им контролировать толщину пленок с точностью до доли атома. Результаты, опубликованные в журнале Science, могут способствовать созданию практичных перовскитных устройств, производимых в промышленных масштабах с использованием процессов, аналогичных тем, что применяются в производстве коммерческих полупроводников.

Каждый слой в полупроводниковом 'бутерброде' выполняет свою функцию, управляя движением электронов и их положительно заряженных аналогов — дырок. Именно это определяет, как полупроводник поглощает или излучает свет. Вместе слои действуют как односторонние барьеры, направляя электрические заряды в противоположных направлениях и предотвращая их рекомбинацию с выделением тепла. В широко используемых полупроводниках, таких как кремний или нитрид галлия, свойства отдельных слоев можно точно настраивать различными методами. Однако перовскиты, несмотря на их выдающиеся характеристики, до сих пор демонстрировали сложность в контроле при создании слоистых структур, отчасти из-за их 'хаотичной' атомной структуры.

Паровая обработка обеспечивает атомную точность

«Многие исследования перовскитов используют растворную обработку, которая является менее точной и сложной в контроле», — отмечает профессор Сэм Стрэнкс с кафедры химической инженерии и биотехнологии, один из руководителей исследования. «Переключившись на паровую обработку — тот же метод, что используется для стандартных полупроводников — мы можем добиться такой же степени атомного контроля, но с материалами, которые гораздо более податливы».

Исследователи использовали комбинацию трехмерных и двухмерных перовскитов для создания и контроля их атомно-настроенных слоев, что известно как эпитаксиальный рост. Этот точный контроль позволил команде напрямую наблюдать, как изменяется излучаемый материалом свет в зависимости от толщины — будь то один слой, два или более.

«Мы надеялись вырастить идеальный кристалл перовскита, изменяя химический состав слой за слоем, и нам это удалось», — говорит доктор Янг Лу, один из ведущих авторов исследования из Кембриджского университета. «Это похоже на создание полупроводника с нуля, слой за слоем, но с материалами, которые гораздо проще и дешевле в обработке».

Контроль поведения зарядов и потенциал устройств

Исследователи также обнаружили, что могут управлять переходами между слоями, контролируя, остаются ли электроны и дырки вместе или разделяются — это ключевой фактор эффективности излучения света материалом.

«Мы достигли уровня настройки, который даже не предполагали, когда начинали», — говорит профессор сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории, также руководивший исследованием. «Теперь мы можем выбирать тип перехода — тот, который удерживает заряды вместе, или тот, который их разделяет — просто незначительно изменяя условия роста».

Исследователи обнаружили, что могут регулировать разницу в энергии между слоями более чем на полэлектронвольта, а в некоторых случаях — увеличивать время жизни электронов и дырок до более чем 10 микросекунд, что значительно дольше обычного.

Команда полагает, что такой уровень точности может открыть путь к созданию масштабируемых, высокопроизводительных устройств, использующих свет новыми способами — от лазеров и детекторов до квантовых технологий следующего поколения.

«Возможность изменять состав и характеристики перовскитов по желанию и анализировать эти изменения — это настоящее достижение, отражающее время и инвестиции, вложенные нами в Кембридже», — отмечает Стрэнкс. «Но что более важно, это демонстрирует, как мы можем создавать функциональные полупроводники из перовскитов, что однажды может произвести революцию в производстве дешевой электроники и солнечных элементов».