Исследователи из Макгиллского университета обнаружили необычное свойство перовскитов – полупроводникового материала, многообещающего с точки зрения создания эффективных недорогих солнечных панелей и различных оптических и электронных устройств. Исследовали пристально изучают перовскиты последние лет десять из-за того, что последние проявляют полупроводниковые свойства даже при наличии дефектов в их кристаллической структуре. Большинство полупроводников для эффективной работы должны иметь как можно меньше дефектов, поэтому их производство – дело сложное и затратное. К разгадке тайны перовскитов учёных приблизило открытие, описание которого они сделали в своей работе, опубликованной 26 мая в журнале Physical Review Research. Как пояснил главный автор исследования Патанджали Камбхампати, адъюнкт-профессор химического департамента Макгиллского университета, к исследованию учёных подтолкнул вопрос о том, как настолько мягкие и полные дефектов кристаллы перовскитов могут быть настолько хорошими полупроводниками? Ведь исторически в качестве полупроводников всегда старались использовать «идеальные» кристаллы.
Учёные обнаружили, что в кристаллах перовскита наблюдается такое явление, как квантовый конфайнмент. До этого конфайнмент наблюдали только в частицах нанометровых масштабов – одним из очень популярных примеров являются дисплеи на квантовых точках. Физические измерения частиц ограничивают движение их электронов так, что в результате у малых частиц оказываются совершенно другие свойства нежели у более крупных фрагментов того же материала. Эти свойства можно подстраивать так, чтобы получать полезные эффекты – вроде испускания света определенных цветов.
При помощи технологии, известной как спектроскопия методом накачки-зондирования с разрешением по состояниям, исследователи показали, что подобный конфайнмент наблюдается в перовскитовых кристаллах бромида цезия и свинца. Иначе говоря, в эксперименте было установлено, что вещество гораздо крупнее квантовых точек по размеру ведёт себя точно так же, как эти точки.
Эта работа основана на предыдущем исследовании, показавшем, что у перовскитов, больше похожих на твёрдое вещество, тем не менее, есть определённые свойства жидкостей. В основе этого дуализма лежит свойство атомной решётки искажаться в присутствии свободных электронов. В кристаллической решётке перовскита формируется полярон – квазичастица, стабилизирующая электрон подобно тому, как батут стабилизирует брошенный на него камень.
Только в отличие от батута, в котором при переходе от движущейся к стабильной системе происходит рассеяние энергии, в перовските оказалось, что энергия системы после формирования полярона возрастает.
По словам Камбхампати, это демонстрация нового квантово-механического эффекта, в котором участвует экситон — связанное состояние электрона и дырки в полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. При этом полярон ограничивает всё в чётко определённом объёме. Полярон, смешиваясь с экситоном, формирует нечто вроде «жидкой» квантовой точки. Учёные назвали это явление квантовой каплей. Пока оно ещё мало изучено, но есть надежда, что дальнейшие сведения помогут понять, как лучше изготавливать оптоэлектронные материалы, устойчивые к дефектам.
По словам Сэма Стрэнкса из Кембриджского университета, энтузиазм по поводу открытий, связанных с перовскитными материалами, растет. Перовскитные солнечные элементы достигли 25,2% эффективности в 2019 году, что недалеко от кристаллических кремниевых элементов — 26,7%. Исследования показывают, что эта цифра может вырасти еще больше. Перовскит может быть «настроен» на поглощение определенных частот света, позволяя различным слоям перовскита поглощать различные и, следовательно, более высокие частоты, чем стандартные ячейки. Они также могут быть наложены поверх существующих кремниевых панелей для поглощения дополнительных частот и повышения их эффективности на 30%. Этот материал также может излучать свет для более дешевого и качественного освещения, чем современные коммерческие светодиоды (на освещение приходится 5% мировых выбросов). Удивительно то, что дефекты и дефекты в ячейках мало влияют на производительность, что меняет учебник по тому, что представляет собой идеальный полупроводник — всегда считалось, что кристаллическая однородность важна. Одна из ключевых проблем, которая остается,-это долгосрочная стабильность перовскита. Но ряд компаний начинают коммерциализировать производство. Существующая солнечная фотоэлектрическая технология достигает предела того, насколько она может быть дешевой, поэтому необходима новая технология, чтобы дать солнечной энергии еще одно десятилетие выдающейся производительности.
Автор: Вячеслав Голованов
Источник: https://habr.com/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
