Галогенидные перовскиты на основе свинца, вопреки обилию структурных несовершенств и посторонних примесей, демонстрируют впечатляющую эффективность преобразования солнечного излучения, сопоставимую с показателями традиционных кремниевых элементов. Коллектив физиков из Института науки и технологий Австрии (ISTA) предложил первое исчерпывающее обоснование этого парадокса. В рамках научной работы применялись нелинейно-оптические методы и технология электрохимического мечения для детальной визуализации внутренней архитектуры материала.
Центральный вывод исследования указывает на фундаментальное отличие от кремниевых технологий: если для последних критически важна абсолютная чистота, то в перовскитах именно разветвленная сеть структурных дефектов формирует условия для беспрепятственного транспорта зарядов, необходимого для генерации энергии.
Перовскиты как класс соединений известны с 1970-х годов, однако их экстраординарный фотоэлектрический потенциал был раскрыт лишь в начале 2010-х. Сегодня они рассматриваются как перспективная база для создания светодиодов, детекторов рентгеновского излучения и систем медицинской визуализации. «Эти соединения также проявляют уникальные квантовые эффекты, включая квантовую когерентность, сохраняющуюся при комнатной температуре», — отмечает Жаныбек Альпишев, профессор ISTA.
Функционирование солнечного элемента завязано на поглощении квантов света и их трансформации в свободные носители — электроны и «дырки». Для получения тока эти частицы должны достичь электродов, не исчезнув по пути. В кремнии этого добиваются путем предельной минимизации дефектов, которые служат «ловушками» для зарядов. Перовскиты, синтезируемые из растворов, изначально полны изъянов. Чтобы объяснить, как заряды преодолевают большие расстояния в такой среде, эксперты ISTA предположили наличие внутренних сил, которые физически разделяют электроны и дырки, препятствуя их взаимному уничтожению (рекомбинации).
Для подтверждения этой гипотезы ученые сгенерировали носители заряда внутри образца с помощью нелинейной оптики. Эксперимент зафиксировал направленный ток даже в отсутствие внешнего электрического поля, что подтвердило существование внутренних механизмов разделения. Исследователи пришли к выводу, что этот процесс протекает не повсеместно, а сосредоточен в «доменных стенках» — особых зонах с измененной кристаллической структурой, образующих микроскопические проводящие сети.
Для наглядного подтверждения этой структуры был разработан метод электрохимического окрашивания. Ионы серебра, введенные в кристалл, избирательно концентрировались вдоль доменных стенок, после чего их восстанавливали до металлического состояния. Это позволило увидеть скрытую сеть под микроскопом. «Данная методика во многом напоминает медицинскую ангиографию, только вместо сосудов живого организма мы изучаем микроархитектуру кристалла», — поясняет Альпишев.
В результате ученым удалось доказать наличие в перовскитах специфических «высокоскоростных магистралей» для носителей заряда. Именно эти каналы обуславливают уникальные транспортные свойства материала. Данное открытие позволит инженерам целенаправленно совершенствовать структуру перовскитных элементов, повышая их КПД при сохранении низкой себестоимости производства.
Источник: iXBT
