Представьте себе дисплей, который улавливает окружающий свет, когда не используется, и таким образом компенсирует часть собственного энергопотребления. Физика материалов показывает, что это возможно: один и тот же полупроводниковый материал в принципе может эффективно излучать и поглощать свет. Не хватает только такой архитектуры устройства, которая позволяла бы ему делать и то, и другое без снижения эффективности в обоих случаях.
Согласно новому исследованию, перовскитный диод преобразует солнечный свет в электричество с эффективностью 26,7 % (мировой рекорд на момент публикации) и излучает свет с эффективностью 31 %. Для устройства, предназначенного для выполнения только одной из этих функций, такие показатели были бы высокими.
Металлогалогенидные перовскиты — это класс материалов, названных так из-за их характерной кристаллической структуры. За последнее десятилетие они стали одними из самых перспективных кандидатов на роль солнечных батарей и светодиодов (LED) следующего поколения. Они относительно недороги в производстве, могут поглощать или излучать свет с разной длиной волны, а их эффективность не уступает гораздо более дорогим полупроводниковым материалам. Несмотря на то, что в основе перовскитных солнечных элементов и перовскитных светодиодов лежит один и тот же материал, они разрабатывались как отдельные технологии, поскольку физические требования к каждому из этих устройств подталкивают разработчиков в противоположных направлениях. Совместное исследование, опубликованное в Joule командой под руководством Майкла МакГихи из Колорадского университета в Боулдере и Цзисяня Сюя из Китайского университета науки и технологий, показало, что этот конфликт можно разрешить и что его разрешение улучшит оба устройства.
Разница между перовскитными светодиодами и солнечными батареями заключается в толщине. Для эффективного светодиода нужен очень тонкий прерывистый слой перовскита, обычно около 50 нанометров (примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса), потому что тонкие, слегка неровные пленки естественным образом рассеивают свет, помогая фотонам покидать устройство. Для солнечной батареи, напротив, нужен слой примерно в шестнадцать раз толще, чтобы поглощать достаточное количество солнечного света и эффективно преобразовывать его в электричество. В течение многих лет это означало, что исследователи, оптимизировавшие светодиоды на основе перовскита, создавали устройства, плохо приспособленные для улавливания солнечной энергии, и наоборот. Из-за этих различий в потребностях два направления развивались по разным архитектурным путям, и устройства, которые пытались выполнять обе функции, как правило, не справлялись ни с одной из них.
Есть еще одна сложность. Даже в хорошо сделанном светодиоде на основе перовскита большая часть генерируемого внутри света не выходит наружу. Когда внутри материала образуется фотон (частица света), он распространяется в стороны и попадает на поверхность. Если он падает под слишком крутым углом, то отражается обратно внутрь, а не выходит наружу. Это явление обусловлено физическими законами распространения света в материалах с разными оптическими свойствами. Попав в ловушку, фотон начинает метаться, пока не поглощается микроскопическим дефектом в материале и не преобразуется в тепло, то есть не растрачивается впустую. Чтобы уменьшить эти потери, нужно либо обеспечить фотонам более удобный выход, либо устранить дефекты, которые их поглощают. Обычно эти задачи решались по отдельности.
Чтобы понять, о чем идет речь в этом исследовании, представьте, как текстура влияет на стекло. Гладкое плоское стекло достаточно хорошо пропускает свет в одном направлении, но практически не влияет на то, что происходит со светом, падающим под неудобным углом. Часть света проходит сквозь стекло, часть отражается, и это во многом зависит от геометрии. Текстурированная или узорчатая поверхность меняет ситуацию: благодаря продуманным вариациям в структуре поверхности свет, попадающий под разными углами, можно направить в нужное русло, будь то внутрь, к внутренней цели (в случае с солнечным элементом), или наружу, к наблюдателю (в случае со светодиодом). Одна и та же особенность поверхности работает в обоих направлениях. Подход команды основан на схожем принципе, применяемом к структурам, которые намного меньше любой видимой невооруженным глазом текстуры поверхности. Кроме того, материал, из которого состоят эти структуры, устраняет дефекты, которые ранее приводили к потере энергии в виде тепла.
Опираясь на более раннюю совместную работу, опубликованную в Science в 2023 году МакГихи и Сюй, в которой было показано, что пористые нанопластины из оксида алюминия (разновидность оксида алюминия) могут снизить потери энергии на границах раздела перовскита, команда решила применить этот принцип в более сложной архитектуре. Ключевым достижением стала разработка метода сборки наночастиц оксида алюминия в островки микрометрового размера (каждый около пяти микрометров в диаметре и полмикрометра в высоту), встроенные в перовскитное устройство. В процессе сборки используется электростатическое притяжение: двум группам наночастиц оксида алюминия придают противоположные поверхностные заряды, и при смешивании они естественным образом группируются в пористые, похожие на губку островки. Одна группа обработана отрицательно заряженной молекулой (Me-4PACz), а другая — положительно заряженной молекулой (ODA). Исследователи называют их e-Al₂O₃, где буква «e» означает «электростатическая» сборка.
Пористая губчатая структура имеет решающее значение. Более ранние подходы к внедрению материалов с низким показателем преломления (материалов, оптическая плотность которых ниже, чем у окружающего их перовскита) в светодиодные устройства приводили к блокировке потока электрического заряда, что снижало эффективность устройств. Поскольку островки e-Al₂O₃ пористые, перовскит может прорастать сквозь них, сохраняя электрический контакт с расположенным под ними электродом. Таким образом, островки перенаправляют свет, не прерывая перенос заряда, от которого зависит работа устройства.
Обработка поверхности наночастиц оксида алюминия была призвана выполнить вторую, не менее важную функцию. Молекулы, с помощью которых частицам придавали противоположные заряды, — это те же молекулы, которые, как известно, пассивируют поверхности перовскита, по сути химически нейтрализуя дефекты, из-за которых энергия может теряться в виде тепла. Скорость поверхностной рекомбинации — показатель того, насколько быстро электрические заряды теряются на границах раздела, — снизилась с 20,2 см/с в плоском контрольном устройстве до 1,4 см/с в устройстве с e-Al₂O₃. Таким образом, скорость потери энергии на границе раздела приближается к показателям высокоэффективных кремниевых солнечных элементов.
При таком подавлении дефектных потерь становится заметным полезный вторичный эффект, называемый рециркуляцией фотонов. Когда фотон генерируется внутри перовскита и в обычных условиях был бы поглощен и потерян, теперь у него есть шанс повторно поглотиться материалом и переизлучиться, то есть получить вторую или третью попытку найти выход. В материале с большим количеством дефектов это было бы контрпродуктивно, поскольку при каждом повторном поглощении фотон мог бы превратиться в тепловую энергию. Однако при минимальном количестве дефектов повторное использование фотонов усиливает эффект от улучшенной маршрутизации света, повышая внешнюю эффективность по сравнению с тем, что можно было бы предположить, исходя из геометрии устройства.
Устройство на основе e-Al₂O₃, работающее как солнечная батарея, показало стабилизированный коэффициент преобразования энергии, подтвержденный внешними сертификатами, на уровне 26,7%. На момент подачи статьи на публикацию этот элементустановил мировой рекорд по эффективности преобразования энергии для перовскитных устройств (с мая 2024 года по февраль 2025 года). Устройство, работающее как светодиод с тем же слоем перовскита толщиной 800 нм, достигло внешнего квантового КПД примерно в 31 %, то есть примерно 31 из каждых 100 инжектированных электронов испускал фотон, который успешно покидал устройство. Яркость (мера интенсивности светового потока) была почти в десять раз выше, чем у плоского контрольного устройства. В обоих режимах работы устройства на основе e-Al₂O₃ продемонстрировали значительно более высокую долговременную стабильность, сохранив 95 % первоначальной эффективности солнечных элементов после 1200 часов непрерывной работы по сравнению с 67 % у плоского образца.
Авторы отмечают, что такое сочетание эффективности солнечных элементов более 26 % и эффективности светодиодов более 30 % в одном поликристаллическом устройстве — это второй случай в истории фотовольтаики, когда удалось добиться таких показателей. Первым был монокристаллический арсенид галлия — материал, который значительно дороже и сложнее в массовом производстве.
Практическая польза устройства, которое эффективно преобразует солнечный свет в электричество и излучает свет, не ограничивается теоретическими рассуждениями. Дисплеи, использующие окружающий свет для продления срока службы батареи, или системы освещения, которые накапливают энергию, когда не используются, становятся более реалистичными, если одна и та же архитектура устройства выполняет обе функции без существенного ущерба для каждой из них. Более того, эта работа показывает, что давнее разделение излучающих и фотоэлектрических устройств — не физическая неизбежность, а инженерная проблема, которую можно решить путем тщательной совместной оптимизации оптических и электронных свойств.