Необычное открытие: как в перовскитных солнечных элементах обнаружили новое состояние материи
Перовскитные солнечные элементы развиваются быстрыми темпами и вызывают интерес у ученых, которые работают не только над повышением их производительности, но и над тем, чтобы лучше понять, как элементы обеспечивают невероятную, постоянно растущую эффективность.
Одна из причин повышенного интереса к перовскитным солнечным элементам — это нелогичный способ, благодаря которому их характеристики так высоки, несмотря на дефекты в кристаллической структуре. Хотя многие исследования направлены на устранение этих дефектов для повышения общей эффективности с помощью химической обработки или молекулярного клея, факт остается фактом: этот материал является гораздо более эффективным полупроводником, чем должен быть.
«Исторически люди использовали объемные полупроводники, которые представляют собой идеальные кристаллы», — рассказал старший автор Патанджали Камбхампати, доцент кафедры химии Университета Макгилла. «И теперь, внезапно, этот несовершенный мягкий кристалл показывает отличные результаты для полупроводниковых приложений, от фотовольтаики до светодиодов. Это отправная точка нашего исследования: как то, что неисправно, может работать безупречно?».
Эта работа на самом деле является продолжением предыдущих исследований, демонстрирующих, что, хотя перовскиты могут выглядеть как твердое вещество, на самом деле они обладают некоторыми характеристиками жидкости. Эта двойственность в значительной степени объясняется структурой атомной решетки, которая деформируется при встрече со свободными электронами. Данное явление известно как «образование поляронов». Чтобы понять его принцип, можно представить, как батут растягивается и меняет форму, если вы бросите в его центр большой камень.
Однако там, где батут постепенно рассеивал бы энергию по мере того, как камень переставал подпрыгивать и касаться центра, в отношении деформирующейся структуры атомной решетки кристаллов перовскита верно обратное. Команда наблюдала этот процесс в действии и неожиданно обнаружила общее увеличение энергии после деформации.
По словам ученых, кристаллы перовскита ведут себя как квантовые точки, что само по себе является многообещающим способом улучшения технологии солнечных элементов. Эти крошечные плоские полупроводниковые кристаллы настолько малы, что ограничивают движение электронов уникальным образом, что и придает им отличительные характеристики.
Этот феномен, известный как квантовое ограничение, ранее наблюдался только у частиц размером в несколько нанометров. По мнению исследователей, тот факт, что теперь он проявляется в кристаллах перовскита, которые намного больше, означает открытие нового состояния материи.
«Одна из вещей, которые наша группа смогла продемонстрировать в ходе испытаний — это то, что полярон смешивается с экситоном, образуя нечто, похожее на квантовую точку. В некотором смысле она похожа на жидкую квантовую точку, которую мы называем квантовой каплей. Надеемся, что изучение поведения этих капель приведет к лучшему пониманию того, как создавать устойчивые к дефектам оптоэлектронные материалы», — пишут ученые.
Перовскитные структуры аномальны и, при всем кажущемся несовершенстве, обеспечивают потрясающую эффективность. Кажется, ученые нашли причину этого многообещающего феномена