Эти сверхэффективные кристаллические структуры взяли штурмом научное сообщество в последние несколько лет, потому что они могут быть обработаны очень недорого и могут использоваться в самых разных приложениях, от солнечных батарей до светодиодов (светодиодов), используемых в телефонах и компьютерных мониторах.
Новое исследование, опубликованное 30 апреля в Интернете в журнале Science Вашингтонского и Оксфордского университетов, демонстрирует, что перовскитные материалы, которые обычно считаются однородными по составу, на самом деле содержат недостатки, которые можно создать для дальнейшего улучшения солнечных устройств.
«Перовскиты – это самый быстрорастущий класс фотоэлектрических материалов за последние четыре года», – сказал ведущий автор Дейн де Куилетт, докторант Университета Вашингтона, работающий с Дэвидом Джинджером, профессором химии и заместителем директора Института чистой энергии Университета штата Вашингтон.
«За такой короткий промежуток времени способность этих материалов напрямую преобразовывать солнечный свет в электричество приближается к сегодняшним кремниевым солнечным элементам, конкурируя с технологией, на разработку которой потребовалось 50 лет», – сказал де Куилетт. "Но мы также подозреваем, что есть возможности для улучшения."
Исследовательская группа использовала мощные методы визуализации, чтобы найти дефекты в перовскитных пленках, которые ограничивают движение зарядов и, следовательно, ограничивают эффективность устройств. Солнечные элементы из перовскита до сих пор достигли эффективности примерно 20 процентов, по сравнению с примерно 25 процентами для солнечных элементов на основе кремния.
В сотрудничестве, которое стало возможным благодаря Институту чистой энергии, команда использовала метод, называемый конфокальной оптической микроскопией, который чаще используется в биологии, и применил его к полупроводниковой технологии. Они использовали флуоресцентные изображения и сопоставили их с изображениями, полученными с помощью электронной микроскопии, чтобы найти «темные» или плохо работающие области перовскитного материала на пересечении кристаллов. Кроме того, они обнаружили, что могут «включить» некоторые темные участки с помощью простой химической обработки.
Изображения преподнесли несколько сюрпризов, но также приведут к ускоренному улучшению однородности, стабильности и эффективности материалов, по словам корреспондента Джинджер, Элвина Л. и Verla R. Квирам, заслуженный профессор химии и заслуженный ученый Вашингтонского исследовательского фонда.
«Удивительно, но этот результат показывает, что даже то, что сегодня называют хорошими или высокоэффективными перовскитными пленками, все еще« плохие »по сравнению с тем, чем они могли бы быть. Это представляет собой четкую цель для будущих исследователей, стремящихся улучшить и расширить материалы ", – сказал Джинджер.
По словам Джинджер, метод визуализации, разработанный командой UW, также предлагает простой способ идентифицировать ранее не обнаруженные дефекты в перовскитных материалах и точно определить области, где их состав может быть химически изменен для повышения производительности.
deQuilettes, который возглавлял проект в качестве выпускника Института чистой энергии, оценивает, что в настоящее время более тысячи лабораторий по всему миру исследуют полупроводниковые свойства перовскитных материалов. Тем не менее, предстоит еще многое сделать, чтобы понять, как постоянно делать материал, который будет стабильным, имеет однородную яркость и может выдерживать влагу без ухудшения качества. Исследование UW предлагает людям новые способы стратегического мышления о том, как улучшить материалы и как расширить свои приложения до высокопроизводительных светоизлучающих устройств, таких как светодиоды и лазеры.
«Многие из нас уделяют внимание перовскитам, поэтому мы надеемся, что этот метод предложит новое направление и направит нас к тем местам, которые мы можем найти, чтобы оптимизировать их потенциал захвата энергии и излучения», – сказал де Куилетт.
Соавторы исследования – Сара М. Ворпал, Хирокадзу Нагаока и Марк Э. Зиффер из UW и Сэмюэл Д. Стрэнкс, Джайлз Э. Эперон и Генри Дж.
Снайт в Оксфорде.
Финансирование исследования было предоставлено штатом Вашингтон через Институт чистой энергии UW.