Перовскиты давно считаются одним из самых перспективных материалов для оптоэлектроники: дешёвое сырьё, относительно простая обработка и возможность делать на одной платформе и солнечные элементы, и светодиоды. Но есть проблема, знакомая каждому, кто работал с растворами: когда жидкий прекурсор застывает в тонкую плёнку, образуются микрокристаллы, которые срастаются с множеством дефектов на границах зёрен и на поверхности. Эти дефекты ловят и гасят носители заряда, снижая эффективность и срок службы устройств.
(Вверху) Распределение цинка в зависимости от продолжительности отжига; (в центре) изменения интенсивности рентгенолюминесценции (XEOL); (внизу) схематическая иллюстрация, показывающая, как эвтектическая смесь плавится на границах зерен, способствуя росту кристаллов. Источник: Джейсон Дж. Ю и др., «Летучие эвтектики для управления кристаллизацией в перовскитной оптоэлектронике». Science 394, 228–233 (2026). DOI: 10.1126/science.aeb4554
Группа исследователей под руководством профессора Сон Сик Шина из Института нанотехнологий SKKU (SAINT) Университета Сонгюнгван (SKKU) нашла способ радикально снизить количество таких дефектов. В международной коллаборации с Корейским научно-исследовательским институтом химических технологий (KRICT), Университетом Калифорнии в Сан-Диего и Принстонским университетом учёные разработали тонкоплёночный перовскитный полупроводник нового поколения — и на одной и той же материальной платформе показали и высокоэффективный солнечный элемент, и светодиод.
Работа опубликована в журнале Science. Для рынка фотовольтаики и оптоэлектроники это не просто красивая научная история: речь о технологическом решении, которое не требует дорогого специализированного оборудования и потенциально масштабируется на большие площади.
Проблема границ зёрен: где рождаются дефекты
Перовскиты привлекают внимание как ключевые материалы для электроники следующего поколения благодаря низкой стоимости производства и относительно простой обработке. Их можно использовать и в солнечных элементах, преобразующих свет в электричество, и в светодиодах, преобразующих электричество в свет.
Однако при затвердевании жидкого прекурсорного раствора в тонкую плёнку образуются микроскопические кристаллические зёрна, которые соединяются друг с другом, часто создавая множество дефектов на границах зёрен и поверхностях. Эти дефекты захватывают или уничтожают фотогенерированные носители заряда, существенно снижая производительность устройства и срок его службы. Классическая дилемма: материал дешёвый, но качество плёнки оставляет желать лучшего.
Эвтектика на границах: жидкость как ускоритель роста
Решение исследователи нашли в эвтектическом явлении, при котором температура плавления смеси становится существенно ниже, чем у отдельных компонентов. Учёные обратили внимание на то, что при объединении двух материалов с относительно высокими индивидуальными температурами плавления — метиламмоний хлорида (MACl) и галогенида цинка (ZnX₂) — смесь начинает плавиться при гораздо более низкой температуре.
Когда перовскитную плёнку мягко нагревали примерно до 100 °C, смесь, расположенная на границах зёрен, превращалась в тонкий жидкий слой. В жидком состоянии атомы могут диффундировать примерно в 10 000 раз быстрее, чем в твёрдом, что позволяет мелким кристаллическим зёрнам быстро сливаться и расти в более крупные, чистые кристаллы с меньшим числом дефектов. MACl, способствующий росту кристаллов, затем испаряется во время термического отжига, а оставшийся цинк сегрегируется к границам зёрен и помогает подавлять дефекты.
Схема изящная: временный «растворитель» делает свою работу и уходит, оставляя после себя более совершенную структуру. Подробности методики раскрываются в публикации, а полный текст статьи доступен в Science.
Что показали измерения: рекордные параметры
Полученные плёнки продемонстрировали самый высокий уровень качества, о котором сообщалось на сегодняшний день для перовскитных тонких плёнок. Время жизни носителей заряда достигло примерно 295 мкс — одного из самых длинных зарегистрированных значений. Скорость поверхностной рекомбинации, указывающая на потери носителей из-за поверхностных дефектов, была снижена до 0,3 см/с — самое низкое reported значение для свинцово-галогенидных перовскитов. Этот показатель сопоставим с лучшими значениями, reported для пассивированного кремния.
Солнечные элементы, изготовленные с использованием новых плёнок, достигли эффективности преобразования энергии 26,5% (сертифицировано 25,9%) при напряжении холостого хода 1,208 В — сертифицированный рекорд для элементов с той же n-i-p архитектурой. Светодиод с той же архитектурой устройства, что и солнечный элемент, достиг внешней квантовой эффективности 26,1%. Это демонстрирует, что одна и та же структура устройства может работать и как генерирующее энергию устройство, поглощающее свет, и как светоизлучающее.
Что говорят авторы
«Мы снизили скорость поверхностной рекомбинации до 0,3 см/с — самого низкого показателя, о котором сообщалось для перовскитных тонких плёнок, продемонстрировав, что обработка из растворов может обеспечить качество поверхности, сопоставимое с кремнием. Поскольку мы также продемонстрировали высокие характеристики на больших площадях, мы ожидаем, что эта технология поможет ускорить коммерциализацию перовскитных солнечных элементов», — сказал доктор Сон Сик Нам, со-первый автор исследования.
«Это исследование — первое в мире, в котором разработан метод роста кристаллов на основе летучей эвтектической смеси, фундаментально снижающий дефекты в перовскитах. Помимо реализации и высокоэффективного солнечного элемента, и светодиода в рамках одной архитектуры устройства, процесс не требует дорогого специализированного оборудования», — отметил профессор Шин, руководивший исследованием.
«Мы ожидаем, что этот подход найдёт широкое применение не только в различных оптоэлектронных устройствах, включая дисплеи и фотодетекторы, но и в более широкой области материаловедения», — добавил он.
Исследование совместно возглавили профессор Шин из Университета Сонгюнгван, профессор Дэвид П. Феннинг из Университета Калифорнии в Сан-Диего и профессор Дейн У. деКилеттс из Принстонского университета. В качестве со-первых авторов выступили Нам из Университета Сонгюнгван, доктор Джейсон Дж. Ю из KRICT и доктор Коннор Дж. Долан из Университета Калифорнии в Сан-Диего.
Что это значит для отрасли
Для фотовольтаики результат важен прежде всего практичностью. Перовскитные солнечные элементы давно демонстрируют впечатляющие лабораторные КПД, но переход к массовому производству упирается в качество плёнок на больших площадях и в их стабильность. Метод с летучей эвтектической смесью выглядит привлекательно именно потому, что не требует экзотического оборудования и вписывается в существующие подходы к обработке из растворов.
Второй аспект — универсальность. Возможность делать на одной архитектуре и солнечный элемент, и светодиод открывает дорогу к интеграции функций в одном устройстве. Для дисплеев, фотодетекторов и сенсоров это дополнительная степень свободы при проектировании.
Для российских и белорусских исследовательских групп, а также для компаний из СНГ, которые работают с тонкоплёночными материалами и фотовольтаикой, кейс интересен методически. Эвтектические смеси — не новая идея в материаловедении, но её применение именно к росту перовскитных кристаллов с последующей самоликвидацией добавки выглядит свежим. Химия здесь работает на стыке термодинамики, кинетики и инженерии поверхности, и именно такие междисциплинарные решения обычно и доходят до производства.
Остаётся дождаться проверки на долговременную стабильность — а это, как известно, главный камень преткновения перовскитной фотовольтаики. Если плёнки с пониженной дефектностью окажутся ещё и устойчивыми к внешним воздействиям, у технологии появится реальный шанс на коммерциализацию. Пока же можно констатировать: исследователи нашли способ сделать плёнку чище, не усложняя процесс. А это, пожалуй, самый ценный результат — не громкий, но практичный.
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.