Исследовательская группа описала свои методы 22 декабря 2017 года в журнале ACS Energy Letters.Перовскиты — это класс материалов, которые — при правильном сочетании элементов — имеют кристаллическую структуру, что делает их особенно подходящими для применения в свете.
Их способность поглощать свет и эффективно передавать его энергию делает их, например, общей целью исследователей, разрабатывающих новые типы солнечных элементов.Самый распространенный перовскит, используемый сегодня в солнечной энергии, метиламмоний иодид свинца (MAPbI3), может преобразовывать свет в энергию так же хорошо, как лучшие современные коммерчески доступные солнечные панели. И он может сделать это, используя небольшую часть материала — полоску в 100 раз тоньше, чем у типичного кремниевого солнечного элемента.
Иодид метиламмония свинца — один из немногих перовскитов, которые можно создать с использованием стандартных промышленных технологий производства, хотя у него все еще есть проблемы с масштабируемостью и долговечностью. Однако, чтобы по-настоящему раскрыть потенциал перовскитов, необходимы новые методы производства, потому что приготовить смесь органических и неорганических молекул в сложной кристаллической структуре может быть сложно.
Органические элементы особенно нежны, но они имеют решающее значение для способности гибридного материала эффективно поглощать и излучать свет.«Иодид свинца метиламмония имеет очень простой органический компонент, но при этом является очень эффективным поглотителем света», — сказал Дэвид Митци, профессор машиностроения и материаловедения компании Simon Family в Duke. «Если мы сможем найти новый производственный подход, который может создавать более сложные молекулярные комбинации, это откроет новые области химии для многофункциональных материалов».В новом исследовании Митци объединяется с коллегой Адриенн Стифф-Робертс, доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники Duke, чтобы продемонстрировать именно такой производственный подход.
Этот метод называется резонансным инфракрасным матричным импульсным лазерным испарением, или сокращенно RIR-MAPLE, и был разработан Stiff-Roberts из Duke в течение последнего десятилетия.Адаптированный на основе технологии, изобретенной в 1999 году под названием MAPLE, метод включает замораживание раствора, содержащего молекулярные строительные блоки для перовскита, а затем взрывать замороженный блок лазером в вакуумной камере.
Когда лазер испаряет небольшой кусок замороженной цели размером с ямку на мяче для гольфа, пар поднимается вверх в виде шлейфа, который покрывает нижнюю поверхность любого объекта, висящего над головой, например, компонента солнечного элемента. Как только накапливается достаточное количество материала, процесс останавливается, а продукт нагревается, чтобы кристаллизовать молекулы и закрепить тонкую пленку.В версии технологии Стиффа-Робертса частота лазера специально настраивается на молекулярные связи замороженного растворителя. Это заставляет растворитель поглощать большую часть энергии, оставляя хрупкие органические вещества невредимыми, когда они попадают на поверхность продукта.
«Технология RIR-MAPLE очень бережно воздействует на органические компоненты материала, гораздо больше, чем другие лазерные методы», — сказал Стифф-Робертс. «Это также делает его намного более эффективным, поскольку для получения того же конечного продукта требуется лишь небольшая часть органических материалов».Хотя на рынке еще нет солнечных элементов на основе перовскита, есть несколько компаний, работающих над коммерциализацией иодида свинца метиламмония и других родственных материалов. И хотя материалы, изготовленные в этом исследовании, имеют эффективность солнечных элементов выше, чем материалы, созданные с помощью других лазерных технологий, они еще не достигают тех, которые сделаны с помощью традиционных процессов на основе растворов.
Но Митци и Стифф-Робертс говорят, что это не их цель.«Хотя методы, основанные на растворах, также могут быть бережными для органических веществ и позволяют создавать отличные гибридные фотоэлектрические материалы, их нельзя использовать для более сложных и плохо растворимых органических молекул», — сказал Стифф-Робертс.«Благодаря этой демонстрации технологии RIR-MAPLE мы надеемся открыть целый новый мир материалов для индустрии солнечных элементов», — продолжил Митци. «Мы также думаем, что эти материалы могут быть полезны для других приложений, таких как светодиоды, фотодетекторы и детекторы рентгеновского излучения».
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом, Research Triangle MRSEC (DMR-1121107). Исследование проводилось в измерительных лабораториях, которые являются членами Сети нанотехнологий исследовательского треугольника Северной Каролины (RTNN), которая поддерживается Национальным научным фондом (ECCS-1542015) в рамках Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI).