Ученые поняли исключительную эффективность преобразования энергии у перовскитов
Ученые ISTA раскрыли механизм, объясняющий уникальные фотоэлектрические свойства перовскитов. Их ключевой вывод: если кремниевая технология «держится» на отсутствии примесей, то в перовскитах всё наоборот — именно естественная сеть структурных дефектов позволяет зарядам переноситься на большие расстояния, что и нужно для эффективного преобразования солнечной энергии.
Источник: Dmytro Rak/Alpichshev group/ISTAю Внутри кристалла перовскита из галогенида свинца проложены магистрали для электронов. Эта естественная сеть структурных дефектов объясняет замечательные свойства переноса заряда, которые делают эти материалы столь эффективными для сбора энергии.
МОСКВА, 17 февраля /Новости науки/. Физики Институт науки и технологий Австрии (ISTA) объяснили исключительную эффективность преобразования энергии у перовскитов естественной сетью структурных дефектов, которая позволяет зарядам переноситься на большие расстояния для эффективного преобразования солнечной энергии. Статью о своем открытии ученые опубликовали в Nature Communications.
Свинцово-галогенидные перовскиты, получаемые из растворов, удивительно эффективно превращают солнечный свет в электричество. Их КПД уже приближается к показателям кремниевых солнечных элементов — отраслевого стандарта.
За последние 15 лет материалы на основе свинцово-галогенидных перовскитов стремительно выдвинулись в лидеры среди кандидатов на роль «солнечных элементов следующего поколения». При сопоставимой эффективности перовскитные элементы можно изготавливать дешёвыми методами из растворов, тогда как кремниевые требуют сверхчистых монокристаллических пластин.
Ученые ISTA раскрыли механизм, объясняющий уникальные фотоэлектрические свойства перовскитов. Их ключевой вывод: если кремниевая технология «держится» на отсутствии примесей, то в перовскитах всё наоборот — именно естественная сеть структурных дефектов позволяет зарядам переноситься на большие расстояния, что и нужно для эффективного преобразования солнечной энергии.
Перовскиты: из забвения в центр внимания
Термин «свинцово-галогенидные перовскиты» — это собирательное название класса соединений, обнаруженных в 1970-е годы. Их назвали так из-за внешнего структурного сходства с перовскитами — широкой семьёй оксидных соединений, важных для материаловедения. Однако, кроме любопытной способности образовывать устойчивые гибридные органо-неорганические кристаллические структуры, свинцово-галогенидные перовскиты долго не вызывали широкого интереса: после базовой характеризации их внесли в каталоги и в основном забыли.
Но в начале 2010-х стало ясно, что эти материалы демонстрируют выдающиеся фотоэлектрические характеристики. Перовскиты также оказались отличными для светодиодов, а ещё — для детектирования и визуализации рентгеновского излучения. Кроме того, эти материалы проявляют поразительные квантовые свойства, например квантовую когерентность при комнатной температуре.
Принципиально разные технологии солнечных элементов
Эффективный фотовольтаический элемент должен поглощать падающий свет и превращать его в электрические заряды — отрицательный электрон и положительную «дырку». Затем эти заряды нужно собрать на электродах, чтобы получить полезный ток. Тут и возникает сложность: заряды должны пройти сотни микрон — в пересчёте на «человеческий масштаб» это как сотни километров — и по пути не попасть в ловушки.
В кремнии проблему решают так: делают «среду» для переноса зарядов почти бездефектной, чтобы заряды не захватывались ловушками до того, как достигнут электродов. Необычность перовскитов в том, что из-за «растворного» роста они буквально наполнены дефектами. Как же в такой среде заряды могут переноситься на большие расстояния и извлекаться в виде полезного тока? И почему они вообще живут достаточно долго, чтобы успеть это сделать?
От гипотезы к изображению: серебряная «ангиография»
Исследователи ISTA предположили: внутри перовскитов должны существовать неучтённые внутренние силы.
Чтобы проверить гипотезу, ученые с помощью нелинейных оптических методов «вводили» электроны и дырки глубоко в объём образца перовскита. При этом они каждый раз фиксировали конечный ток, текущий в одном и том же направлении — даже без приложенного напряжения. Стало ясно: даже глубоко внутри монокристаллов неизменённых, выращенных “как есть” перовскитов существуют внутренние силы, разделяющие заряды противоположного знака.
Однако прежние исследования кристаллической структуры перовскитов утверждали, что такое поведение несовместимо с их «идеальной» решёткой. Чтобы снять противоречие, исследователи предложили: разделение зарядов происходит не равномерно по всему образцу, а локализовано на так называемых «границах доменов» — участках изменённой структуры, которые могут образовывать микроскопические сети, пронизывающие весь кристалл.
Оставался вопрос: как доказать это и «увидеть» сеть доменных стенок глубоко в объёме, если большинство локальных методов «чувствуют» лишь поверхность, а поверхностные свойства могут заметно отличаться?
Исследовали использовали химическую подготовку. Перовскиты хорошо проводят ионы, и специалисты задумались: можно ли внедрить в материал «ионные метки», чтобы подсветить доменные стенки без разрушения образца. В итоге была создана новая электрохимическая методика окрашивания: серебряные ионы диффундировали в объём кристалла и преимущественно накапливались на границах доменов. Затем их электрохимически превращали в металлическое серебро — и под микроскопом становилась видна сеть, проходящая через весь объём материала. Эта качественная методика, придуманная и реализованная в ISTA, похожа на ангиографию живых тканей — только исследовали микроструктуру кристалла.
«Автомагистрали» для электронов
Осознание того, что в перовскитах весь объём густо пронизывает естественная сеть доменных стенок, разделяющих заряды, стало переломным моментом. Если электрон-дырочная пара возникает рядом с доменной стенкой, локальное электрическое поле разводит электрон и дырку в разные стороны, помещая их по разные стороны стенки. Они не могут сразу рекомбинировать и могут дрейфовать вдоль доменных стенок — по меркам носителя заряда почти вечность — и проходить большие расстояния.
В итоге было показано существование того, что получило называние «магистралями для носителей заряда» внутри перовскитов. Это и объясняет выдающиеся свойства переноса зарядов, благодаря которым перовскиты так эффективны для сбора энергии.
Свинцово-галогенидные перовскиты, получаемые из растворов, удивительно эффективно превращают солнечный свет в электричество. Их КПД уже приближается к показателям кремниевых солнечных элементов — отраслевого стандарта.
За последние 15 лет материалы на основе свинцово-галогенидных перовскитов стремительно выдвинулись в лидеры среди кандидатов на роль «солнечных элементов следующего поколения». При сопоставимой эффективности перовскитные элементы можно изготавливать дешёвыми методами из растворов, тогда как кремниевые требуют сверхчистых монокристаллических пластин.
Ученые ISTA раскрыли механизм, объясняющий уникальные фотоэлектрические свойства перовскитов. Их ключевой вывод: если кремниевая технология «держится» на отсутствии примесей, то в перовскитах всё наоборот — именно естественная сеть структурных дефектов позволяет зарядам переноситься на большие расстояния, что и нужно для эффективного преобразования солнечной энергии.
Перовскиты: из забвения в центр внимания
Термин «свинцово-галогенидные перовскиты» — это собирательное название класса соединений, обнаруженных в 1970-е годы. Их назвали так из-за внешнего структурного сходства с перовскитами — широкой семьёй оксидных соединений, важных для материаловедения. Однако, кроме любопытной способности образовывать устойчивые гибридные органо-неорганические кристаллические структуры, свинцово-галогенидные перовскиты долго не вызывали широкого интереса: после базовой характеризации их внесли в каталоги и в основном забыли.
Но в начале 2010-х стало ясно, что эти материалы демонстрируют выдающиеся фотоэлектрические характеристики. Перовскиты также оказались отличными для светодиодов, а ещё — для детектирования и визуализации рентгеновского излучения. Кроме того, эти материалы проявляют поразительные квантовые свойства, например квантовую когерентность при комнатной температуре.
Принципиально разные технологии солнечных элементов
Эффективный фотовольтаический элемент должен поглощать падающий свет и превращать его в электрические заряды — отрицательный электрон и положительную «дырку». Затем эти заряды нужно собрать на электродах, чтобы получить полезный ток. Тут и возникает сложность: заряды должны пройти сотни микрон — в пересчёте на «человеческий масштаб» это как сотни километров — и по пути не попасть в ловушки.
В кремнии проблему решают так: делают «среду» для переноса зарядов почти бездефектной, чтобы заряды не захватывались ловушками до того, как достигнут электродов. Необычность перовскитов в том, что из-за «растворного» роста они буквально наполнены дефектами. Как же в такой среде заряды могут переноситься на большие расстояния и извлекаться в виде полезного тока? И почему они вообще живут достаточно долго, чтобы успеть это сделать?
От гипотезы к изображению: серебряная «ангиография»
Исследователи ISTA предположили: внутри перовскитов должны существовать неучтённые внутренние силы.
Чтобы проверить гипотезу, ученые с помощью нелинейных оптических методов «вводили» электроны и дырки глубоко в объём образца перовскита. При этом они каждый раз фиксировали конечный ток, текущий в одном и том же направлении — даже без приложенного напряжения. Стало ясно: даже глубоко внутри монокристаллов неизменённых, выращенных “как есть” перовскитов существуют внутренние силы, разделяющие заряды противоположного знака.
Однако прежние исследования кристаллической структуры перовскитов утверждали, что такое поведение несовместимо с их «идеальной» решёткой. Чтобы снять противоречие, исследователи предложили: разделение зарядов происходит не равномерно по всему образцу, а локализовано на так называемых «границах доменов» — участках изменённой структуры, которые могут образовывать микроскопические сети, пронизывающие весь кристалл.
Оставался вопрос: как доказать это и «увидеть» сеть доменных стенок глубоко в объёме, если большинство локальных методов «чувствуют» лишь поверхность, а поверхностные свойства могут заметно отличаться?
Исследовали использовали химическую подготовку. Перовскиты хорошо проводят ионы, и специалисты задумались: можно ли внедрить в материал «ионные метки», чтобы подсветить доменные стенки без разрушения образца. В итоге была создана новая электрохимическая методика окрашивания: серебряные ионы диффундировали в объём кристалла и преимущественно накапливались на границах доменов. Затем их электрохимически превращали в металлическое серебро — и под микроскопом становилась видна сеть, проходящая через весь объём материала. Эта качественная методика, придуманная и реализованная в ISTA, похожа на ангиографию живых тканей — только исследовали микроструктуру кристалла.
«Автомагистрали» для электронов
Осознание того, что в перовскитах весь объём густо пронизывает естественная сеть доменных стенок, разделяющих заряды, стало переломным моментом. Если электрон-дырочная пара возникает рядом с доменной стенкой, локальное электрическое поле разводит электрон и дырку в разные стороны, помещая их по разные стороны стенки. Они не могут сразу рекомбинировать и могут дрейфовать вдоль доменных стенок — по меркам носителя заряда почти вечность — и проходить большие расстояния.
В итоге было показано существование того, что получило называние «магистралями для носителей заряда» внутри перовскитов. Это и объясняет выдающиеся свойства переноса зарядов, благодаря которым перовскиты так эффективны для сбора энергии.
