Эффективность излучения света в халькогенидных перовскитах подтверждена

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что халькогенидные перовскиты способны излучать свет эффективнее, чем предполагалось ранее. Это открытие укрепляет перспективы использования данных материалов для создания солнечных элементов, фотодетекторов и иных оптоэлектронных устройств.

Работа проводилась под руководством Мирьяны Димитриевской в швейцарском исследовательском институте Empa совместно с коллегами из Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie и другими партнерами. Объектом изучения стал сульфид бария-циркония — халькогенидный перовскит, свойства которого в части излучения света ранее не были продемонстрированы на практике.

Специфика измерений и структура материала

Перовскиты классифицируются по кристаллической структуре, а не по единственному химическому составу. В отличие от галогенидных аналогов, активно исследуемых для солнечной энергетики, халькогенидные варианты рассматриваются как альтернатива благодаря сочетанию полезных оптических и электронных свойств с повышенной стабильностью и наличием компонентов, распространенных в земной коре.

До настоящего момента эффективность излучения света у таких материалов не была подтверждена экспериментально, согласно данным Empa. Для проверки гипотез ученые применили передовые спектроскопические методы для измерения фотолюминесценции в монокристалле сульфида бария-циркония, полученном в Берлинском центре Гельмгольца. Фотолюминесценция возникает при поглощении материалом энергии и последующем испускании света. Результаты опубликованы в журнале Advanced Optical Materials.

Проблемы синтеза и тонких пленок

Измерения зафиксировали относительно сильное излучение от монокристалла, что соответствует теоретическим прогнозам. Однако тонкие пленки демонстрировали значительно более слабую фотолюминесценцию. Данное различие критично, поскольку перспективные материалы должны быть синтезированы и обработаны в практические структуры устройств.

Дефекты, возникающие в процессе синтеза и обработки, существенно подавляют способность к излучению света в тонких пленках, нарушая электронные процессы, необходимые для высокой эффективности. Таким образом, внутренняя потенциал материала выглядит многообещающим, но производственные процессы требуют дальнейшей доработки.

Потенциал применения и новые открытия

Исследователи изучают халькогенидные перовскиты для применения в солнечных элементах и фотодетекторах. Стабильность и доступность составляющих элементов делают их привлекательными кандидатами для оптоэлектроники, хотя исследования находятся на ранней стадии. Новые измерения позволяют ученым отличить ограничения, присущие самому материалу, от проблем, вызванных синтезом или обработкой.

В Empa подчеркнули, что до готовности халькогенидных перовскитов к практическому применению предстоит проделать значительную работу. Полученные результаты показывают перспективное излучение света в монокристаллах, но не означают создание коммерчески жизнеспособного солнечного элемента или доказанного повышения эффективности преобразования энергии.

Отдельным направлением работы стало исследование побочных структур, образующихся при синтезе. При получении халькогенидных перовскитов из исходных элементов могут формироваться микроскопические игольчатые структуры с гексагональным поперечным сечением. Ранее считавшиеся нежелательными побочными продуктами, эти образования проявили необычные оптические свойства, включая способность поляризовать, преломлять и проводить свет специфическим образом. Они также обладают потенциалом для использования в качестве сверхпроводников и квантовых материалов.

Команда Димитриевской при поддержке Швейцарского национального научного фонда (программа Weave) сотрудничает с Университетом Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге для изучения этих структур, улучшения методов их синтеза и понимания свойств. Конечная цель исследователей — интеграция игольчатых материалов в первые фотонные и электронные компоненты. Экспериментальное подтверждение свойств излучения света создает более прочную основу для принятия решений о направлениях дальнейшего развития этой области.