Названные в честь минерала, обнаруженного в Уральских горах России, перовскиты заняли центральное место как класс материалов со свойствами, которые могут быть применены к будущим устройствам электроники и энергетики.
Полупроводниковые пленки из перовскитов помогут сделать гибкие, легкие солнечные элементы, которые дешевы и легки в производстве из обилия и простоты обработки материалов. В то время как они еще не доступны на коммерческом рынке – препятствиями являются недостаточная стабильность и долговечность — они могут трансформировать отрасль солнечной энергетики в ближайшие 10-20 лет.
Для ученых перовскиты также представляют интересную загадку: не зависимо от вариаций основных ингредиентов для их производства — свинец, йодид и метиламмоний – все равно получается один и тот же базовый материал. Тем не менее, хитрости химии на разных этапах процесса могут привести к появлению перовскитов с более хорошими качествами для использования в солнечных элементах.
Исследователями Стэнфордского синхротронного радиационного источника света (SSRL) и Стэнфордского университета загадки и потенциал перовскитов проверяются в экспериментах, где чрезвычайно яркие рентгеновские лучи используются для изучения химии материала в те моменты, когда материал формируется. Объект Министерства энергетики США в Национальной лаборатории ускорителей SLAC предлагает множество способов подойти к проблеме и открыть для себя новые сведения об этом полезном материале.
— Вы начинаете с растворения некоторых основных ингредиентов в растворителе. Затем вы высушиваете его в пленку. Затем пленку трансформируют в конечный перовскит обработкой, такой как отжиг, который включает нагрев до определенной температуры и последующее охлаждение. Нас интересует химия всего этого процесса и то, как он развивается на каждом этапе. Идея состоит в том, что, если вы можете понять, что мы называем «химией образования» перовскитов, вы можете создать материалы, чтобы получить максимальное нужные свойства, — отметил Кевин Стоун, ученый SSRL.
— Существуют десятки различных методов осаждения пленок перовскита, например. И эти методы приводят к различиям в толщине, текстуре, размере зерна и кристалличности пленок. В лаборатории создание перовскитов с отличительными характеристиками в основном осуществляется путем проб и ошибок. Инженеры вносят небольшие изменения в процесс, чтобы оптимизировать конкретное свойство, которое им интересно, будь то напряжение или производительность солнечных батарей, — рассказал студент Стэнфордского химического факультета Ариэ Голд-Паркер.
Исследователи уверенны, что если им удастся понять химические превращения, происходящие в процессе создания перовскитовых солнечных элементов, в конечном итоге разработать улучшенные процессы, отвечающие потребностям промышленности.
— Использование хлора при обработке может привести к созданию высококачественным пленкам перовскита с впечатляющей производительностью. После осаждения раствора происходит промежуточная стадия, на которой образуется кристаллическая пленка — мы называем это предшественником, а затем газообразная соль хлора, называемая хлорид метиламмония (MACI), непрерывно покидает пленку, превращая ее в перовскит. Несколько лет назад Тони (Майкл Тони, руководитель отдела исследований материалов SSRL) и его коллеги показали, что в конечном продукте осталось очень мало хлора. Несмотря на то, что вы начинаете с довольно большого количества хлора, подавляющее большинство его теряется в обработке, — отметил Голд-Паркер.
Ученые смогли показать, что превращение в конечный перовскит ограничено постепенным испарением MACl и что эта медленная трансформация может фактически привести к получению высококачественного перовскитового материала. Кроме того, им удалось выяснить, какова структура этого кристаллического предшественника, как соединяются атомы и примерно количество хлора — кристаллический предшественник сохраняется довольно долго, прежде чем он превращается в перовскит.
— Мы использовали несколько вариантов двух методов, называемых рентгеновским рассеянием и рентгеновской спектроскопией. Для изучения структуры используется рентгеновское рассеяние; он говорит вам, где атомы расположены в кристаллических материалах. Рентгеновская спектроскопия является дополнительной методикой. Она рассказывается о химии пленки, сколько присутствует различные химических элементов и как они связаны, — подытожил ученый SSRL Кристофер Тассон.