Первоначально минерал, перовскит, используемый в современных технологиях, сильно отличается от породы, найденной в мантии Земли. «Структура перовскита» использует другую комбинацию атомов, но сохраняет общую трехмерную структуру, изначально наблюдаемую в минерале, который обладает превосходными оптоэлектронными свойствами, такими как сильное поглощение света и облегченный перенос заряда. Благодаря этим преимуществам структура перовскита особенно подходит для разработки электронных устройств, от солнечных элементов до ламп.
Ускорение прогресса в технологии перовскита за последние несколько лет предполагает, что новые устройства на основе перовскита вскоре превзойдут существующие технологии в энергетическом секторе. Отдел энергетических материалов и наук о поверхности в OIST под руководством профессора Ябин Ци находится в авангарде этой разработки, и теперь две новые научные публикации посвящены усовершенствованию перовскитных солнечных элементов и более дешевому и разумному способу производства новых светодиодов на основе перовскита. огни.
Дополнительный слой в «бутерброде» солнечной батареи
Солнечные элементы на основе перовскита - это перспективная технология, которая, по прогнозам, заменит классические фотоэлектрические элементы, доминирующие в настоящее время в отрасли. Всего за семь лет разработки эффективность перовскитных солнечных элементов увеличилась почти до уровня коммерческих фотоэлектрических элементов и, как ожидается, вскоре превзойдет их, но структура перовскита по-прежнему страдает коротким сроком службы из-за проблем со стабильностью. Ученые OIST постоянно делают небольшие шаги в улучшении стабильности элементов, выявлении факторов деградации и поиске решений для улучшения архитектуры солнечных элементов.
Новое открытие, опубликованное в Journal of Physical Chemistry B, предполагает, что взаимодействия между компонентами самого солнечного элемента ответственны за быструю деградацию устройства. Точнее говоря, слой оксида титана, извлекающий электроны из солнечной энергии, эффективно создавая электрический ток, вызывает нежелательное разрушение соседнего слоя перовскита. Представьте себе солнечную батарею в виде многослойного бутерброда: если его неправильно собрать, свежие и сочные овощи при контакте с ломтиками хлеба сделают хлеб очень размокшим за считанные часы. Но если вы добавите слой ветчины или индейки между овощами и хлебом, то ваш бутерброд останется хрустящим весь день в холодильнике столовой.
Это именно то, чего добились исследователи OIST: они вставили в солнечный элемент дополнительный слой из полимера, чтобы предотвратить прямой контакт между слоями оксида титана и перовскита. Этот полимерный слой является изолирующим, но очень тонким, что означает, что он позволяет туннелировать электронному току, но не снижает общую эффективность солнечного элемента, эффективно защищая структуру перовскита.
«Мы добавили очень тонкий лист полистирола шириной всего несколько нанометров между слоем перовскита и слоем оксида титана», - объяснил доктор Лунбин Цю. «Электроны все еще могут туннелировать через этот новый слой, и это не влияет на поглощение света клеткой. Таким образом, мы смогли продлить срок службы ячейки в четыре раза без потери эффективности преобразования энергии».
Срок службы нового перовскитного устройства был увеличен до более чем 250 часов - этого недостаточно, чтобы конкурировать с коммерческими фотоэлектрическими элементами в отношении стабильности, но это важный шаг вперед к полностью функциональным перовскитным солнечным элементам.
Производство светодиодов из газов
Биполярные электронные свойства структуры перовскита не только наделяют их способностью генерировать электричество из солнечной энергии, но также могут преобразовывать электричество в яркий свет. Технология Light-Emitting Diode (LED), вездесущая в нашей повседневной жизни, от экранов ноутбуков и смартфонов до автомобильных фар и потолочных труб, в настоящее время основана на полупроводниках, которые сложны и дороги в производстве. Предполагается, что в ближайшем будущем перовскитные светодиоды станут новым отраслевым стандартом из-за более низкой стоимости и их эффективности для преобразования энергии в свет. Более того, изменяя атомный состав в структуре перовскита, перовскитовый светодиод можно легко настроить для излучения определенных цветов.
Производство этих перовскитных светодиодов в настоящее время основано на погружении или покрытии целевой поверхности жидкими химическими веществами, процесс, который трудно настроить, ограничен небольшими площадями и с низкой консистенцией между образцами. Чтобы решить эту проблему, исследователи OIST сообщили в Journal of Physical Chemistry Letters о первом перовскитном светодиоде, собранном с помощью газов, процесс, называемый химическим осаждением из паровой фазы или CVD..
«Химическое осаждение из паровой фазы уже совместимо с промышленностью, поэтому в принципе было бы легко использовать эту технологию для производства светодиодов», - прокомментировал профессор Ябин Ци. «Второе преимущество использования CVD - это гораздо меньшая вариация от партии к партии по сравнению с жидкостными методами. Наконец, последний пункт - масштабируемость: CVD позволяет получить однородную поверхность на очень больших площадях».
Как и солнечный элемент, перовскитовый светодиод также состоит из множества слоев, работающих в синергии. Во-первых, лист стекла из оксида индия и олова и полимерный слой пропускают электроны в светодиод. Химические вещества, необходимые для перовскитового слоя - бромид свинца и метиламмонийбромид - затем последовательно связываются с образцом с помощью CVD, при котором образец подвергается воздействию газов для преобразования в перовскит вместо обычных процессов покрытия раствором с жидкостью. В этом процессе слой перовскита состоит из зерен нанометрового размера, размер которых играет решающую роль в эффективности устройства. Наконец, последний шаг включает в себя нанесение двух дополнительных слоев и золотого электрода, формируя законченную светодиодную структуру. Светодиод может даже формировать определенные узоры с помощью литографии в процессе производства.
Поверхность светодиода с большими зернами шероховатая и менее эффективна при излучении света. Чем меньше размер зерен, тем выше эффективность и тем ярче свет», - пояснил доктор Линцян Мэн. «Изменяя температуру сборки, мы теперь можем контролировать процесс роста и размер зерен для достижения наилучшей эффективности».
Контроль размера зерна - не единственная проблема, связанная с этой первой в своем роде технологией сборки светодиодных светильников.
«Перовскит великолепен, но выбор соседних слоев также очень важен», - добавил д-р Луис К. Оно. «Для достижения высокой скорости преобразования электричества в свет каждый слой должен работать в гармонии с другими».
В результате получился гибкий светодиод, похожий на толстую пленку, с настраиваемым рисунком. Яркость или яркость в настоящее время достигает 560 кд/м2, в то время как типичный экран компьютера излучает от 100 до 1000 кд/м2, а потолочная люминесцентная лампа - около 12 000 кд/м2..
«Наш следующий шаг - улучшить яркость в тысячу и более раз», - заключил доктор. Мэн. «Кроме того, мы получили светодиод на основе CVD, излучающий зеленый свет, но теперь мы пытаемся повторить этот процесс с различными комбинациями перовскита, чтобы получить яркий синий или красный свет».