Учени от университета Райс и техни сътрудници създадоха нов тип двуизмерен (2D) полупроводник, който е по-близо от всякога до „перфектния“ кристал. Резултатите, публикувани в списание Nature Synthesis, говорят за нови възможности за по-ефективни слънчеви клетки и други оптоелектронни устройства.
Новият полупроводник принадлежи към клас материали, известни като 2D метал-халогенни перовскити. Те се състоят както от органични, така и от неорганични компоненти.
Докато полупроводниците, изработени от неорганични материали, обикновено образуват стройно подредени, симетрични кристални структури, не може да се каже същото за перовскитите, чиито по-меки решетки са по-податливи на изкривявания. А те могат да ограничат производителността.
Екип от изследователи, ръководен от Адитя Мохите, създаде многослоен 2D перовскит, който не проявява такива изкривявания. Това означава, че енергията може да се движи през материала „като по учебник“.
„Той е толкова близо до перфектна симетрия, колкото можете да намерите в кристал, и – доколкото ни е известно – това е първият път, когато подобно нещо е демонстрирано в многослойна 2D перовскитна система при стайна температура“, каза Мохите, професор по химично и биомолекулно инженерство и научен директор на Инициативата за енергиен преход и устойчивост в Райс.
„Цялата светлина, която се абсорбира, формира тези материални възбуждания, наречени ексцитони, които след това могат да се разпространяват в материала през повече от два микрометра, без да губят енергия. Това е голямо постижение, защото не са много материалите, които наистина могат да направят подобно нещо“, допълва Мохите.
По отношение на транспорта на ексцитоните, параметрите на новия 2D перовскит са с порядъци по-добри от това на предишни перовскити и са сравними с това на монослойни дихалкогениди – ново поколение 2D материали, използвани в широк спектър от приложения, включително ултрачувствителни сензори и интегрирани електронни схеми.
Напредъкът се основава частично на различен начин за създаване на материала. Вместо да позволят на кристалите да „растат“, докато разтворът се охлажда, изследователите ги отстраняват при по-високи температури, фиксирайки желаната структура.
Освен това, предишните усилия на учените бяха ограничени до по-тънки версии на тези материали, но сега новият подход позволява направата на по-дебели, многослойни форми.
„В две посоки изглежда като перовскит, но в третата посока три перовскитни слоя са свързани заедно“, каза Айзък Меткалф, докторант в изследователската група на Мохите, съавтор на изследването.
„Преди хората успяваха да свържат само два перовскитни слоя, използвайки този химически стабилен формаминидиев катион вътре в тези слоеве. Това е първият път, когато някой свързва три или повече слоя в подобна конфигурация“, допълва Меткалф.
Тази добавена дебелина има значение, защото променя начина, по който материалът взаимодейства със светлината. С увеличаване на броя на слоевете енергийният праг, необходим за абсорбиране на светлина става по-малък, което позволява на материала да улавя по-широка част от слънчевия спектър.
„Колкото повече слънчева светлина може да абсорбира, толкова по-добра слънчева клетка може ще имаме“, каза Меткалф.
Материалът е тестван в прототипни самозахранващи се фотодетектори — устройства, които преобразуват светлината в електрически сигнали. Устройствата, направени от новия перовскит, са по-чувствителни и реагират по-бързо от тези, направени от друг 2D перовскит, особено при по-дебели филми.
Резултатите могат да се окажат ценни и за следващото поколение оптоелектронни и квантови устройства, както и за тандемни слънчеви клетки, където два или повече материала са наслоени, за да улавят различни части от светлинния спектър по-ефективно.
