Ученые ИТМО описали, как повысить эффективность солнечных батарей на основе перовскитов

Группа ученых из Университета ИТМО представила обзорную статью, посвященную перспективам материалов на основе галогенидного перовскита. Группа исследователей уверена, что этот материал может совершить революцию в нанофотонике. Труд авторов был особо оценен редакцией журнала «Applied Physics Reviews». Корреспондент ITMO.NEWS встретился с авторами исследования и узнал, какие уникальные свойства перовскитов позволят повысить эффективность солнечных батарей, а также в чем преимущество этого материала над кремнием. 

Галогенидный перовскит – материал сравнительно новый для нанофотоники. Впервые его стали использовать для создания солнечных батарей около десяти лет назад. Этот искусственный материал имеет структуру, идентичную природному минералу перовскиту, обнаруженному в горах Урала еще в XIX веке и получившему свое имя в честь Льва Перовского, министра внутренних дел и страстного коллекционера минералов.

Несмотря на то, что множество ученых по всему миру работают над тем, чтобы внедрить галогенидный перовскит в промышленное производство солнечных батарей и светодиодов, до сих пор многие свойства этого метаматериала вызывают споры или не до конца ясны ученым. Поэтому группа физиков Университета ИТМО решила собрать всю имеющуюся на сегодняшний день информацию о перовскитах и представить ее в своей статье в «Applied Physics Reviews». Усилия ученых оценила редакция журнала, лично главный редактор назвал статью одной из лучших в номере.

«Нам важно было показать, какие преимущества имеет данный материал для создания элементов мета-оптики и нанофотоники по сравнению с используемыми ранее материалами, – рассказывает один из соавторов статьи Сергей Макаров, – Мы надеемся, что эта работа стимулирует интерес у оптического комьюнити к разработке новых оптоэлектронных устройств на основе перовскитов, так как использование современных нанофотонных технологий открывает уникальные перспективы в данной области. Могу предположить, что редакции понравился наш междисциплинарный подход и то, что мы постарались выполнить дополнительные расчеты для объединения одной идеей опубликованных ранее разрозненных экспериментальных данных различных лабораторий».

Сергей Макаров
Сергей Макаров

Перестраиваемый метаматериал

Одним из важнейших преимуществ перовскитов является их перестраиваемость: в зависимости от задач, которые ученые и инженеры хотят решить, метаматериал на основе перовскита легко можно адаптировать, использовав для его создания разные химические элементы.   

«Есть такое понятие, как ширина запрещенной зоны у полупроводников, – это те значения энергии, которыми не может обладать электрон в данном материале. У традиционных полупроводников, таких как кремний и арсенид галлия, эта зона фиксированная. В случае с перовскитами мы можем ее модифицировать, например, при помощи галоидного замещения. Говоря более простым языком, это достигается заменой одной из составляющих материала, а именно аниона галогена, другим химическим элементом той же группы. К примеру, атом брома в исходном составе материала можем заместить йодом или хлором, и наоборот. Более того, весь процесс является обратимым – свойства материала при необходимости могут быть возвращены в исходное состояние. Варьируя ширину запрещенной зоны, мы подстраиваем наш материал для работы в различных диапазонах длин волн. В частности, мы можем получить светодиод, который светит синим, зеленым, или красным. Также и с солнечными батареями – они могут поглощать только часть света, в каком-то конкретном диапазоне и этот диапазон можно двигать под конкретные задачи», – поясняет соавтор исследования Павел Ворошилов.

Также адаптивность перовскитов удобна для их использования в компактных источниках излучения. При этом их можно настраивать in situ – уже после создания, что открывает новые возможности для появления устройств на основе перовскитов. 

Изменение цвета наноструктур и метаповерхностей из перовскитов
Изменение цвета наноструктур и метаповерхностей из перовскитов

«Все заинтересованы в создании миниатюрных источников света. В случае с перовскитами мы можем не только задавать исходные параметры материала, но и менять их уже после изготовления, причем здесь это сравнительно легко делается. Тем самым можно, к примеру, переключать один и тот же светодиод на другой цвет, а потом возвращать исходный. По сути, у нас появляется возможность реализовать цветные пиксели, состоящие из одного подобного перестраиваемого светодиода вместо трех, как в стандартной RGB-схеме, тем самым уменьшая физический размер самого пикселя. Это важно, потому что некоторые свойства перовскитов заставляют говорить о них как о перспективном материале для нового поколения LED-дисплеев», – продолжает Ворошилов.

Соревнование с кремнием

Одним из ключевых достоинств галогенидного перовскита по сравнению с арсенидом галлия и кремнием заключается в дешевизне производства наноструктур на его основе. Чтобы создать их на основе традиционных полупроводников, как правило, необходимо прибегать к помощи дорогостоящих установок и к дорогим методам синтеза.

«В случае перовскита нам проще, потому что они могут быть изготовлены вполне доступными химическими методами и совместимы с рулонной технологией. Эта технология позволяет наносить в большом объеме материал, раскатывая его по поверхности подложки, как рулон. Если мы говорим о формах наноструктур, можно изготавливать наносферы, нанокубы, микродиски, нанопроволоки на основе перовскитов, и для этого тоже существуют методы. К примеру, перовскитные наночастицы кубической формы могут быть получены при помощи методов химического осаждения из газовой фазы или переосаждения с помощью лигандов. Кремниевые наноструктуры тоже можно изготовить подобной формы, только это сложнее и дороже. Если нам нужны периодические структуры, то в случае перовскита у нас также есть вариант использовать довольно простой метод – нанопечать. Есть шаблон – потом штампуем нашу подложку с перовскитом этой печатью для придания поверхности нужной формы», – поясняет Ворошилов.

Павел Ворошилов
Павел Ворошилов

И все же пока перовскиты еще не заняли своего места на рынке производства диодов и солнечных элементов. Опыты и теоретические изыскания, которые провели авторы статьи, могут ускорить этот процесс.

«Помимо обзорной части, в данной работе есть также и оригинальное исследование, касающееся изучения оптических резонансов, которые могут возникать в наноструктурах на основе перовскита. Нами был обнаружен известный ранее для других материалов, но не рассматривавшийся ранее для перовскитов широкополосный эффект Керкера. Он позволяет получить направленное рассеяние света. По сути, у нас есть перовскитный нанокуб, мы его облучаем плоской волной, и он практически ничего не рассеивает назад, то есть в обратном направлении он не дает никакого отражения», – продолжает он.

Этот эффект может быть полезен в разных областях нанофотоники – для создания нанолазеров, более эффективных светодиодов. Однако наиболее наглядно его польза видна при использовании в солнечных батареях.

«На основе этого эффекта можно сделать, к примеру, просветляющее покрытие. Оно позволяет уменьшить отражение от поверхности. То есть, когда солнечный свет падает на солнечную батарею, часть света от нее отражается, потому что у нас есть оптический контраст между воздухом и самой структурой. Это потеря, потому что отраженный свет мог быть поглощен. Просветляющее покрытие на поверхности солнечной батареи позволяет свету проходить без потерь внутрь активного слоя и улучшает эффективность устройства», – поясняет Ворошилов.

Солнечные батареи. Источник: shutterstock.com
Солнечные батареи. Источник: shutterstock.com

В будущем, предполагает один из самых именитых авторов исследования Юрий Кившарь, перовскиты могут выиграть «соревнование» у кремния и стать одним из самых удобных материалов для создания нанофотонных устройств.  

«Галогенидные перовскиты могут быть использованы в качестве резонаторных материалов с высоким коэффициентом усиления, что позволяет создавать нанолазеры с размерами до 420 нм. Недавние разработки могут иметь далеко идущие последствия для создания современных оптоэлектронных устройств с оптимизированными оптическими характеристиками», – поделился он мнением.

 

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба