Ученые разработали технологию выращивания ультратонких плёнок перовскита для солнечных батарей и осветительных приборов нового поколения

Благодаря своей удивительной способности поглощать и излучать свет, а также тому, что перовскиты дешевле и могут преобразовывать в энергию больше солнечного спектра, чем кремний, они уже давно рассматриваются как потенциальная замена кремнию в солнечных батареях, светодиодах и квантовых технологиях.

Однако из-за их нестабильности и недолговечности перовскитные устройства до сих пор использовались в основном в лабораториях. Кроме того, учёным было сложно точно контролировать толщину плёнок перовскита и взаимодействие между различными слоями перовскита при их наложении друг на друга, что является важным шагом в создании функциональных многослойных структур.

Группа исследователей под руководством Кембриджского университета нашла новый способ выращивания ультратонких плёнок перовскита, при котором их атомы выстраиваются в идеальном порядке, что может позволить создавать более мощные, долговечные и эффективные устройства. Исследователи использовали паровую технологию для послойного выращивания трёхмерных и двумерных перовскитов, что позволило им контролировать толщину плёнок с точностью до долей атома.

Их результаты, опубликованные в журнале Science, могут открыть путь к созданию пригодных для использования перовскитных устройств, которые можно будет производить в больших масштабах с помощью технологии, аналогичной той, что используется для производства коммерческих полупроводников.

Каждый слой полупроводникового «сэндвича» выполняет свою функцию в процессе перемещения электронов и их положительно заряженных аналогов, называемых дырками, и определяет, как полупроводники поглощают или излучают свет. Вместе эти слои действуют как улицы с односторонним движением, которые направляют электрические заряды в противоположные стороны, не позволяя им сталкиваться друг с другом и терять энергию в виде тепла.

В других широко используемых полупроводниках, таких как кремний или более новые материалы, например нитрид галлия, свойства отдельных слоёв можно точно настроить с помощью различных методов. Но перовскиты, несмотря на их превосходные характеристики, до сих пор было сложно использовать в многослойных устройствах, отчасти из-за их «хаотичной» атомной структуры.

Исследователи использовали комбинацию трёхмерных и двумерных перовскитов для создания и управления своими атомарно настроенными слоями. Это явление известно как эпитаксиальный рост. Благодаря такому точному контролю команда могла напрямую наблюдать, как меняется свет, излучаемый материалом, в зависимости от того, состоит ли он из одного, двух или большего количества слоёв.

«Мы надеялись, что сможем вырастить идеальный кристалл перовскита, в котором мы будем слой за слоем менять химический состав, и нам это удалось», — сказал соавтор исследования доктор Ян Лу с факультета химической инженерии и биотехнологии Кембриджского университета и из Кавендишской лаборатории. — «Это похоже на создание полупроводника с нуля, слой за слоем, но из материалов, которые гораздо проще и дешевле в обработке».

Исследователи также обнаружили, что можно управлять соединениями между слоями, чтобы контролировать, остаются ли электроны и дырки вместе или разделяются. Это ключевой фактор, определяющий эффективность излучения света материалом.

«Мы достигли такого уровня настраиваемости, о котором даже не мечтали, когда начинали», — сказал профессор сэр Ричард Френд из Кавендишской лаборатории, который был одним из руководителей исследования. -«Теперь мы можем решить, какой тип соединения нам нужен — тот, который удерживает заряды вместе, или тот, который разделяет их, — просто немного изменив 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 — намного дольше, чем обычно.

По словам команды исследователей, такой уровень точности может открыть путь к созданию масштабируемых высокопроизводительных устройств, использующих свет по-новому: от лазеров и детекторов до квантовых технологий следующего поколения.