Галогенидные перовскиты – это органические материалы, изготовленные из обильных и недорогих ингредиентов, а метод выращивания с использованием семян Райса решает как эксплуатационные, так и производственные проблемы, которые сдерживали фотоэлектрическую технологию галогенидного перовскита.
В исследовании, опубликованном в Интернете в журнале Advanced Materials, инженеры-химики из инженерной школы Райса Брауна описывают, как производить семена и использовать их для выращивания однородных тонких пленок, очень востребованных материалов, состоящих из однородно толстых слоев.
В лабораторных испытаниях фотоэлектрические устройства, изготовленные из пленок, доказали свою эффективность и надежность, что ранее было проблематичным для устройств, изготовленных из перовскитов 3D или 2D.
«Мы придумали метод, с помощью которого вы действительно можете адаптировать свойства макроскопических пленок, сначала адаптировав то, что вы добавляете в раствор», – сказал соавтор исследования Адитья Мохите, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии и материаловедения. и наноинженерия в Rice. "Вы можете получить что-то очень однородное по размеру и свойствам, что приведет к более высокой эффективности. Мы получили почти ультрасовременный КПД устройства для 2D-случая 17%, и это без оптимизации. Мы думаем, что можем улучшить это несколькими способами."
Мохайт сказал, что получение однородных пленок из двумерных перовскитов было огромной проблемой для сообщества исследователей галогенидных перовскитов, занимающихся фотоэлектрической обработкой, которое значительно выросло за последнее десятилетие.
«Ожидается, что однородные пленки приведут к созданию оптоэлектронных устройств, обладающих как высокой эффективностью, так и технологически значимой стабильностью», – сказал он.
Высокоэффективные фотоэлектрические пленки, выращенные из семян риса, оказались довольно стабильными, сохранив более 97% своей пиковой эффективности после 800 часов освещения без какого-либо управления температурой. В предыдущих исследованиях 3D-галогенидные фотоэлектрические устройства на перовските были высокоэффективными, но склонны к быстрой деградации, а 2D-устройства не обладали эффективностью, но были очень стабильными.
В исследовании Райса также подробно описывается процесс роста семян – метод, доступный для многих лабораторий, сказала соавтор исследования Аманда Марсель, председатель попечительского совета Уильяма Марша Райса и доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Райсе.
"Я думаю, что люди возьмут эту газету и скажут: ‘О. Я собираюсь начать это делать », – сказал Марсель. "Это действительно хорошая бумага для обработки документов, в которой есть детали, которых раньше никогда не делали."
Название перовскит относится как к конкретному минералу, обнаруженному в России в 1839 году, так и к любому соединению с кристаллической структурой этого минерала.
Например, галогенидные перовскиты могут быть получены путем смешивания свинца, олова и других металлов с бромидными или йодидными солями. Исследовательский интерес к галогенидным перовскитам резко возрос после того, как в 2012 году был продемонстрирован их потенциал для высокоэффективной фотовольтаики.
Мохит, который присоединился к Райсу в 2018 году, более пяти лет исследовал фотовольтаику галогенидных перовскитов, особенно 2D-перовскиты – плоские, почти атомарно тонкие формы материала, которые более стабильны, чем их более толстые собратья, из-за присущей им влагостойкости.
Мохите, со-ведущий автор исследования Сирадж Сидхик, доктор философии.D. студент в своей лаборатории, с идеей преследовать посевной рост.
«Идея о том, что память или история – генетический вид семян – могут определять свойства материала, – это мощная концепция в материаловедении», – сказал Мохайт. "Многие шаблоны работают так. Если вы хотите вырастить, например, монокристалл алмаза или кремния, вам понадобится затравка монокристалла, которая может служить шаблоном."
Хотя рост затравки часто демонстрировался для неорганических кристаллов и других процессов, Мохайт сказал, что это первый раз, когда он был показан в органических 2D-перовскитах.
Процесс выращивания 2D перовскитных пленок из зародышей во многих отношениях идентичен классическому процессу выращивания таких пленок.
В традиционном методе химические вещества-прекурсоры отмеряются, как ингредиенты на кухне – X частей ингредиента A, Y частей ингредиента B и так далее – и они растворяются в жидком растворителе. Полученный раствор наносится на плоскую поверхность с помощью центробежного покрытия, широко используемого метода, который основан на центробежной силе для равномерного распределения жидкости по быстро вращающемуся диску. По мере растворения растворителя смешанные ингредиенты кристаллизуются в тонкую пленку.
Группа Мохита в течение многих лет создавала двумерные перовскитные пленки таким способом, и хотя пленки кажутся совершенно плоскими невооруженным глазом, они неравномерны в нанометровом масштабе.
В некоторых местах пленка может быть толщиной монокристалла, а в других местах – толщиной в несколько кристаллов.
«В конечном итоге вы получаете что-то полностью полидисперсное, и когда изменяется размер, меняется и энергетический ландшафт», – сказал Мохайт. "Для фотоэлектрического устройства это означает неэффективность, поскольку энергия теряется из-за рассеяния, когда заряды сталкиваются с препятствием, прежде чем они достигнут электрического контакта."
В методе выращивания семян семена получают путем медленного роста однородного 2D-кристалла и его измельчения в порошок, который растворяется в растворителе вместо отдельных предшественников. Семена содержат такое же соотношение ингредиентов, как и в классическом рецепте, и полученный раствор наносится методом центрифугирования на диски точно так же, как и в исходном методе.
Этапы испарения и кристаллизации также идентичны. Но затравочный раствор дает пленки с однородной однородной поверхностью, очень похожей на материал, из которого были измельчены семена.
Когда Sidhik изначально преуспел в этом подходе, было не сразу понятно, почему он снимал лучшие фильмы.
К счастью, лаборатория Мохите примыкает к лаборатории Марсиэль, и хотя она и ее ученик, со-ведущий автор Мохаммад Самани, ранее не работали с перовскитами, у них действительно был идеальный инструмент для поиска и изучения любых кусочков нерастворенных семян, которые могли бы служить образцом для однородных пленок.
«В моей группе мы могли отслеживать зародышеобразование и рост, используя методы светорассеяния, которые мы обычно используем для измерения размеров полимеров в растворе», – сказал Марсель. "Так возникло сотрудничество.
Мы соседи по лаборатории, и мы говорили об этом, и я такой: «Эй, у меня есть это оборудование. Давайте посмотрим, насколько велики эти семена и сможем ли мы отследить их с течением времени, используя те же инструменты, которые мы используем в науке о полимерах.’"
Инструментом было динамическое рассеяние света, основная техника в группе Марсиэля. Было обнаружено, что растворы достигают состояния равновесия при определенных условиях, что позволяет части некоторых семян оставаться нерастворенными в растворе.
Исследование показало, что эти частицы затравки сохранили «память» об идеально однородном медленно выращиваемом кристалле, из которого они были измельчены, и Самани и Марсель обнаружили, что они могут отслеживать процесс зародышеобразования, который в конечном итоге позволит затравкам образовывать однородные тонкие пленки.
Мохайт сказал, что сотрудничество дало то, что часто пытаются и редко достигают в исследованиях наноматериалов – метод самосборки для создания макроскопических материалов, которые соответствуют ожиданиям отдельных наночастиц, из которых они состоят.
«Это действительно проклятие технологии наноматериалов», – сказал Мохайт. «На индивидуальном уровне, состоящем из одного элемента, у вас есть прекрасные свойства, которые на порядки лучше, чем что-либо еще, но когда вы пытаетесь объединить их во что-то макроскопическое и полезное, например, пленку, эти свойства просто исчезают, потому что вы не может сделать что-то однородное, имея только те свойства, которые вам нужны.
«Мы еще не проводили экспериментов с другими системами, но успех с перовскитами вызывает вопрос о том, может ли этот тип затравочного подхода работать и в других системах», – сказал он.
Исследование проводилось при поддержке Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики (DOE), Академического института Франции и Управления военно-морских исследований (N00014-20-1-2725) и с использованием объектов DOE в Аргоннской национальной лаборатории. и Брукхейвенская национальная лаборатория.