Преобразование энергии света в электрическую «разогнали» на 250%

Световой поток, падающий на поликристаллические пленки перовскита (показаны бирюзовым цветом), расположенные на слоях подложки из серебра и Al2O3, генерирует электрический ток (красно-синие электрон-дырочные пары). Иллюстрация Physorg

Человечество буквально купается в океане даровой энергии, которую мы не можем обратить на собственные нужды. Оценки показывают, что за световой день Земля получает столько солнечной энергии, сколько населяющие ее люди производят за год. А вот даже примитивные безъядерные клетки (прокариоты), не имевшие еще зеленого хлорофилла, смогли около 3 млрд лет назад наладить процесс фотосинтеза. То есть синтез собственной органики за счет энергии солнечного света.

Фотосинтез начинается с улавливания солнечных фотонов молекулярными антеннами хлоропластов зеленого листа. Их энергии оказывается достаточно не только для возбуждения электрона атома марганца, но и для удаления его с орбиты. Возбужденный электрон «живет» недолго, и его пребывание на уровнях с большей энергией длится фемтосекунды (10–15 с.). Затем электрон релаксирует и опускается на исходный уровень. Эта рекомбинация сопровождается испусканием фотона меньшей энергии, например зеленого цвета с большей длиной волны, в то время как возбуждающий свет был синего или голубого цвета.

Нехватка энергии свидетельствует о том, что совершалась работа по перемещению электрона. Естественно, что на месте выбитого фотоном электрона остается так называемая дырка (hole).

Вся проблема солнечной энергетики связана с быстрой рекомбинацией электрон-дырочной пары, мешающей повышению эффективности фотопанелей. Эти устройства делаются на основе дорогого в получении и производстве чистого кремния. Физики давно уже бьются над вопросом максимально долгого сохранения пар отрицательных зарядов электронов и положительно заряженных дырок.

Один из подходов предложен сотрудниками Университета г. Рочестер (США). Их статья в журнале Nature Photonics называется «Гигантское подавление-супрессия скорости рекомбинации в 3D-перовските для повышения фотодетекторной работы». Авторы отмечают, что этот эффект удалось получить прежде всего благодаря использованию наложенных друг на друга тонкопленочных слоев перовскита, обогащенных включениями соединения свинца с галогенами (Plumbum halide – PbI3, йодид свинца). Расположив несколько пленок перовскита на металлической подложке из слоев серебра и оксида алюминия (Al2O3), удалось продлить время жизни переносчика отрицательного заряда. То есть электрона в свободном состоянии, «отделенного» от дырки. При этом форма электронного облака в зависимости от направления оси спина приобретает форму восьмерки или объемного тора-бублика.

В Рочестере сумели достичь резкого снижения скорости рекомбинации электрон-дырочной пары в плоскости поликристаллических пленок перовскита. Этому помогало их размещение на плазмонном зеркале из серебра или на специально созданном для этого метаматериале. Эффект снижения составил 50 и 30% соответственно.

Дело в том, что на поверхности благородных металлов довольно быстро генерируются волны «обобществленных» электронов, получившие название «плазмоны». Вслед за этим было получено 10-кратное уменьшение скорости рекомбинации при использовании соединения свинца с цезием, йодом и бромом.

Ученые объясняют этот успех с точки зрения динамики улавливания экситонов – виртуальных частиц, образующихся в результате возбуждения электрона и отделения его от дырки. Контролируя скорость рекомбинации в пленках перовскита с добавлением йодида свинца, авторы этой экспериментальной работы получили в общей сложности увеличение ответа на освещение (photoresponsivity) светового детектора на фантастические 250%.

Целый век главным полупроводником считался кремний, который довольно дорого и трудно доводить до нужной степени технологической чистоты. В этом отношении перовскит намного предпочтительнее, поскольку его можно производить в контролируемых условиях. Он прекрасно ведет себя на подложках из чередующихся слоев металла и диэлектрика (изолятора). Это и позволило увеличить конверсию энергии света в электрическую на 250%.

Однако не надо думать, что все проблемы этим достижением решены. Перовскит, к сожалению, быстро деградирует, распадается, в отличие от кремния, оксиды которого представляют собой знакомые всем песок и стекло. Поэтому, не останавливаясь на достигнутом, фотофизики Рочестера напряженно работают над увеличении «лайфтайма» полученных ими тонкопленочных кристаллов перовскита.