Создание идеального перовскита, слой за слоем

Аккумулятор FIAMM 12 FGL 80

Группа исследователей под руководством Кембриджского университета продемонстрировала точно контролируемый послойный эпитаксиальный рост плёнок из двумерных галогенидных перовскитов в промышленно совместимом процессе. Их открытие может помочь в разработке более термостабильных перовскитных солнечных элементов.

Схема материала перовскита

Группа исследователей из Кембриджского университета в Великобритании продемонстрировала послойный (LbL) рост галогенидных перовскитов из паровой фазы, в частности цезия, свинца и брома (CsPbBr3), на двумерном (2D) монокристалле перовскита. Двумерной подложкой был PEA2PbBr4, где PEA — это аббревиатура, обозначающая 2-фенилэтиламмоний.

«Полученная гетероструктура CsPbBr 3-PEA 2 PbBr 4 продемонстрировала точность на ангстремном уровне и однородность толщины слоя вплоть до монослоя, что важно для приложений с квантовым ограничением», — заявили исследователи в статье «Послойный эпитаксиальный рост гетероструктур перовскита с настраиваемым смещением запрещённых зон», опубликованной в Science.

«Мы надеялись, что сможем вырастить идеальный кристалл перовскита, в котором мы будем менять химический состав слой за слоем, и нам это удалось, — сказал соавтор исследования Ян Лу. — Это похоже на создание полупроводника с нуля, слой за слоем, но с использованием материалов, которые гораздо проще и дешевле обрабатывать».

Подчеркнув, что этот процесс можно масштабировать, он не требует использования растворителей и подходит для промышленного применения, учёные заявили, что, насколько им известно, это первый случай столь точного выращивания методом LbL в гетероэпитаксии на основе перовскита.

По словам автора исследования, Сэмюэля Стрэнкса, у этой технологии есть потенциал для применения в солнечной фотовольтаике, а также в других областях оптоэлектроники. «Для осаждения перовскитов в продаже имеется оборудование для работы с парами, которое было введено в эксплуатацию за последние 5 лет или около того, и на рынке появляется всё больше вариантов, которые вызывают всё больший интерес как в научных кругах, так и в промышленности», — сказал Стрэнкс отметив, что исследование открывает новые подходы для дальнейшего улучшения и стабилизации фотовольтаики.

По словам Стрэнкса, сейчас группа пытается превратить эти сэндвич-структуры в многослойные и продемонстрировать их в «полностью функционирующих» устройствах, таких как солнечные батареи, светодиоды (LED), детекторы излучения и квантовые устройства.

В статье подчёркивается, что равномерное распределение толщины позволяет «настраивать смещение полос, преодолевая ключевые ограничения синтеза на основе растворов».

В статье говорится, что сочетание «вычислительного моделирования и оптических спектроскопических измерений» помогло продемонстрировать, что значительного смещения полосы можно добиться за счёт «точного контроля межфазной структуры путём настройки условий осаждения, что позволяет создавать гетеропереходы как первого, так и второго типа, а также настраивать динамику переноса заряда и рекомбинации».

Согласно результатам исследования, гетероэпитаксиальное шаблонное выращивание также позволило снизить плотность дефектов, улучшить транспорт носителей заряда и повысить квантовую эффективность фотолюминесценции (КЭФЛ) в слое CsPbBr3.

Поэкспериментировав с нанесением CsPbBr3 на несколько других типов двумерных подложек, исследователи предположили, что эпитаксию LbL можно «распространить и на другие галогенидные системы», но предупредили, что в случае с йодидными перовскитами необходимы дальнейшие исследования в области управления фазами, «чтобы обеспечить формирование желаемой фазы в условиях роста».

К британским исследователям присоединились команды из AMOLF в Нидерландах и Колорадского университета в Боулдере в США.