Ученые из хорошо известного Макгиллского университета совершили прорыв в понимании свойств перовскитов, которые являются весьма перспективнвми полупроводниками для того, чтобы создать высокоэффективные и очень доступные солнечные панели, а также самых различных оптических и новых электронных устройств. Перовскиты привлекают внимание исследователей на протяжении последних десяти лет благодаря уникальной способности демонстрировать полупроводниковые свойства даже в присутствии дефектов в своей кристаллической структуре. В традиционных полупроводниках наличие дефектов негативно сказывается на эффективности работы, что делает их производство сложным и дорогостоящим. Новое открытие, описанное учеными в статье, опубликованной 26 мая в журнале Physical Review Research, приблизило нас к разгадке тайны перовскитов. Как пояснил Патанджали Камбхампати, доцент кафедры химии Макгиллского университета и ведущий автор исследования, ученых заинтересовал вопрос о том, как кристаллы перовскитов, обладающие мягкой структурой и высокой концентрацией дефектов, могут проявлять такие хорошие полупроводниковые свойства.
Исторически сложилось так, что в качестве полупроводников использовались исключительно “идеальные” кристаллы без каких-либо дефектов. 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/
