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».
