Среди материалов, известных как перовскиты, одним из самых интересных является материал, который может преобразовывать солнечный свет в электричество так же эффективно, как сегодняшние коммерческие кремниевые солнечные элементы, и потенциально может быть намного дешевле и проще в производстве.
Есть только одна проблема: из четырех возможных атомных конфигураций или фаз, которые может принимать этот материал, три эффективны, но нестабильны при комнатной температуре и в обычных условиях, и они быстро возвращаются в четвертую фазу, которая полностью бесполезен для солнечных батарей.
Теперь ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики нашли новое решение: просто поместите бесполезную версию материала в ячейку с алмазной наковальней и сожмите ее при высокой температуре. Эта обработка подталкивает его атомную структуру к эффективной конфигурации и сохраняет ее такой даже при комнатной температуре и относительно влажном воздухе.
Исследователи описали свои результаты в Nature Communications.
«Это первое исследование, в котором давление используется для контроля этой стабильности, и оно действительно открывает много возможностей», - сказал Ю Линь, научный сотрудник SLAC и исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES).
«Теперь, когда мы нашли этот оптимальный способ подготовки материала, - сказала она, - есть потенциал для масштабирования его для промышленного производства и использования того же подхода для манипулирования другими перовскитными фазами».
Поиск стабильности
Перовскиты получили свое название от природного минерала с такой же атомной структурой. В данном случае ученые изучали перовскит, представляющий собой галогенид свинца, представляющий собой комбинацию йода, свинца и цезия.
Одна фаза этого материала, известная как желтая фаза, не имеет истинной структуры перовскита и не может использоваться в солнечных батареях. Однако некоторое время назад ученые обнаружили, что если вы обрабатываете его определенным образом, он превращается в фазу черного перовскита, которая чрезвычайно эффективно преобразует солнечный свет в электричество. «Это сделало его очень востребованным и предметом множества исследований», - говорит профессор Стэнфорда и соавтор исследования Венди Мао.
К сожалению, эти черные фазы также структурно нестабильны и имеют тенденцию быстро возвращаться в бесполезную конфигурацию. Кроме того, они работают с высокой эффективностью только при высоких температурах, сказал Мао, и исследователям придется решить обе эти проблемы, прежде чем их можно будет использовать в практических устройствах.
Ранее предпринимались попытки стабилизировать черные фазы с помощью химии, напряжения или температуры, но только в среде без влаги, которая не отражает реальных условий, в которых работают солнечные элементы. Это исследование объединило оба давление и температура в более реалистичной рабочей среде.
Давление и тепло делают свое дело
Работая с коллегами из исследовательской группы Мао и профессора Хемамала Карунадаса в Стэнфорде, Лин и научный сотрудник Фэн Кэ разработали установку, в которой кристаллы желтой фазы были зажаты между кончиками алмазов в ячейке, известной как алмазная наковальня. Под давлением кристаллы нагревали до 450 градусов Цельсия, а затем охлаждали.
При правильном сочетании давления и температуры кристаллы превращались из желтых в черные и оставались в черной фазе после сброса давления, говорят ученые. Они были устойчивы к порче от влажного воздуха и оставались стабильными и эффективными при комнатной температуре от 10 до 30 дней и более.
Исследование с помощью рентгеновских лучей и других методов подтвердило сдвиг в кристаллической структуре материала, а расчеты теоретиков SIMES Чунцзин Цзя и Томаса Деверо позволили понять, как давление изменило структуру и сохранило черную фазу.
Давление, необходимое для того, чтобы сделать кристаллы черными и сохранить их в таком состоянии, примерно в 1000-6000 раз превышало атмосферное давление, сказал Лин, что составляет примерно десятую часть давления, обычно используемого в индустрии синтетических алмазов. Таким образом, одна из целей дальнейших исследований будет состоять в том, чтобы перенести то, что исследователи узнали из своих экспериментов с алмазными наковальнями, в промышленность и масштабировать процесс, чтобы сделать его доступным для производства.