Перовскиты: материалы будущего для солнечной энергетики

Солнечные батареи — это устройства, которые преобразуют свет в электричество. Они могут быть изготовлены из разных материалов, но одним из самых перспективных являются галогенидные перовскиты — кристаллические соединения, которые обладают высокой светопроницаемостью и электропроводностью. Однако производство и использование галогенидных перовскитов имеет свои сложности, так как они чувствительны к температуре, влажности и другим факторам, которые могут повлиять на их структуру и свойства.

Недавно группа ученых из Университета Райса в США и их коллег из других стран разработали новый метод синтеза двумерных (2D) галогенидных перовскитов, который позволяет получать слои семикондукторов оптимальной толщины и чистоты, контролируя температуру и продолжительность процесса кристаллизации. Этот метод называется кинетически контролируемым пространственным ограничением и может помочь повысить стабильность и снизить стоимость галогенидных перовскитов для различных технологий, таких как оптоэлектроника и фотовольтаика.

Двумерные галогенидные перовскиты — это тонкие слои кристаллов, состоящие из чередующихся слоев органических и неорганических соединений. Толщина этих слоев влияет на ширину запрещенной зоны — энергетического интервала между зонами проводимости и валентности, которые определяют способность материала проводить электрический ток при освещении. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем больше электрическая проводимость материала. Для применения в электронных устройствах необходимы двумерные галогенидные перовскиты с толщиной слоя больше двух, но традиционные методы синтеза таких материалов дают неоднородный рост кристаллов, что снижает надежность работы устройств.

«При традиционных методах синтеза двумерных перовскитов вы получаете кристаллы с разными фазами из-за отсутствия контроля над кинетикой кристаллизации, которая является динамическим взаимодействием между температурой и временем», — объясняет Джин Хоу, аспирант Университета Райса и один из ведущих авторов статьи. «Мы разработали способ замедлить кристаллизацию и постепенно настраивать каждый параметр кинетики, чтобы достичь оптимального результата для получения чистых по фазе синтеза».

Кроме того, ученые создали карту (фазовую диаграмму) процесса с помощью характеризации, оптической спектроскопии и машинного обучения. Эта карта позволяет предсказать и оптимизировать условия синтеза двумерных галогенидных перовскитов с различной толщиной слоя.

Синтез двумерных галогенидных перовскитов с оптимальной толщиной и чистотой слоя открывает новые возможности для солнечных батарей, так как он позволяет повысить эффективность и стабильность преобразования света в электричество. Галогенидные перовскиты могут быть использованы как одни из составляющих гибридных солнечных батарей, которые сочетают в себе преимущества органических и неорганических материалов. Такие солнечные батареи могут быть более дешевыми, гибкими и экологичными, чем традиционные кремниевые.