Кремний, стандартный полупроводниковый материал, используемый во множестве приложений - компьютерных центральных процессорах (CPU), полупроводниковых чипах, детекторах и солнечных элементах, - является распространенным природным материалом. Однако его добыча и очистка обходятся дорого.
Перовскиты - семейство материалов, получивших название за свою кристаллическую структуру, - в последние годы показали необычайные перспективы в качестве гораздо менее дорогой и столь же эффективной замены кремния в солнечных элементах и детекторах. Теперь исследование, проведенное под руководством Чунлей Го, профессора оптики в Университете Рочестера, предполагает, что перовскиты могут стать гораздо более эффективными.
Вместо этого Го предлагает новый подход, основанный на физике. Используя подложку из слоя металла или чередующихся слоев металла и диэлектрика, а не из стекла, он и его соавторы обнаружили, что они могут повысить эффективность преобразования света перовскитом на 250 процентов.
Об их выводах сообщается в Природная фотоника.
"Никто другой не пришел к такому наблюдению в перовскитах", - говорит Го. "Внезапно мы можем поместить металлическую платформу под перовскит, полностью изменив взаимодействие электронов внутри перовскита. Таким образом, мы используем физический метод для организации этого взаимодействия".
Новая комбинация перовскита и металла создает "много удивительной физики"
Металлы, вероятно, являются самыми простыми материалами в природе, но их можно заставить выполнять сложные функции. Лаборатория Го имеет большой опыт в этом направлении. Лаборатория впервые разработала ряд технологий, превращающих простые металлы в черные как смоль, супергидрофильные (притягивающие воду) или супергидрофобные (водоотталкивающие). Улучшенные металлы были использованы для поглощения солнечной энергии и очистки воды в их недавних исследованиях.
В этой новой статье, вместо того, чтобы представлять способ улучшения самого металла, лаборатория Го демонстрирует, как использовать металл для повышения эффективности первоскитов.
"Кусок металла может выполнять столько же работы, сколько и сложная химическая технология в лаборатории с мокрым покрытием", - говорит Го, добавляя, что новое исследование может быть особенно полезным для будущего сбора солнечной энергии".
В солнечном элементе фотоны солнечного света должны взаимодействовать с электронами и возбуждать их, заставляя электроны покидать свои атомные ядра и генерируя электрический ток, объясняет Го. В идеале в солнечном элементе должны использоваться слабые материалы, которые притягивают возбужденные электроны обратно к атомным ядрам и останавливают электрический ток.
Лаборатория Го продемонстрировала, что такую рекомбинацию можно существенно предотвратить, объединив перовскитный материал либо со слоем металла, либо с подложкой из метаматериала, состоящей из чередующихся слоев серебра, благородного металла, и оксида алюминия, диэлектрика.
Результатом стало значительное уменьшение рекомбинации электронов благодаря "множеству удивительных физических явлений", говорит Го. По сути, металлический слой служит зеркалом, которое создает перевернутые изображения электронно-дырочных пар, ослабляя способность электронов рекомбинировать с дырками.
Лаборатория смогла использовать простой детектор, чтобы наблюдать результирующее 250-процентное увеличение эффективности преобразования света.
Прежде чем перовскиты станут пригодными для практического применения, необходимо решить несколько проблем, особенно их склонность к относительно быстрому разрушению. В настоящее время исследователи стремятся найти новые, более стабильные перовскитные материалы.
"По мере появления новых перовскитов мы сможем использовать наш основанный на физике метод для дальнейшего повышения их производительности", - говорит Го.
Соавторами являются Кван Джин Ли, Ран Вэй, Джихуа Чжан и Мохаммед Элькаббаш, все нынешние и бывшие сотрудники Лаборатории Го, а также Е Ван, Вэньчи Конг, Сандип Кумар Чамоли, Тао Хуан и Вэйли Ю, все из Чанчуньского института оптики, точной механики и физики в Китае.
Фонд Билла и Мелинды Гейтс, Исследовательское управление армии и Национальный научный фонд поддержали это исследование.
Комментарии