• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
11.05.2023
ФизТех
4 504

Положен конец спору об оптических свойствах материала для солнечных батарей

5.1

Ученые из МФТИ с коллегами из МИСиС, ДВФУ и ИТМО впервые объяснили анизотропию перовскитов — самого перспективного материала для солнечных батарей. Оказалось, что она определяется формой кристалла. Физики научились регулировать значение анизотропии, меняя химический состав галогенидных перовскитов. Полученные результаты можно применить для построения нанолазеров, поляризаторов, волноводов и других оптических приборов.

Положен конец спору об оптических свойствах материала для солнечных батарей
Положен конец спору об оптических свойствах материала для солнечных батарей / ©Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в Nano Letters. Перовскиты представляют широкую группу материалов, имеющих химическую формулу ABX3 и сложную кристаллическую структуру. Перовскиты, в которых положение атома X занимает галоген: хлор, йод или бром, называют галогенидными. Благодаря электрическим, магнитным и оптическим свойствам они применяются в солнечных батареях, нанолазерах и светодиодах. Теоретически из-за особенностей структуры эти материалы должны проявлять анизотропию, то есть оптические свойства, например показатель преломления, должны отличаться вдоль разных направлений кристалла. Однако ученые в многочисленных исследованиях использовали приближение, при котором свойства не зависят от направления, и не наблюдали проявления анизотропии. Только в недавних работах появились наблюдения анизотропности кристаллов.

Чтобы разрешить это противоречие, физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами исследовали анизотропию бромида свинца цезия CsPbBr3. Оказалось, что оптические свойства кристалла зависят от его происхождения: в зависимости от условий выращивания кристалл может проявлять или не проявлять анизотропию в плоскости. Это объяснило противоречивость предыдущих исследований, в которых анизотропия то появлялась, то пропадала.

Первый автор работы, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев комментирует: «Мы вообще не ожидали, что будет такой результат. Была задача просто измерить оптические свойства перовскитов. С помощью эллипсометрии измерили показатель преломления, однако результаты не сходились с изотропной моделью. Потом мы поняли, что на самом деле кристалл анизотропный, и тогда эксперимент полностью совпал с новой моделью. Форма кристаллов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными — будут изотропны в плоскости, если прямоугольными — анизотропны. Это удобно: просто взглянул на форму перовскита — и понял, какие у него будут оптические свойства».

Согласно теории, галогенидные перовскиты имеют орторомбическую кристаллическую структуру. Это значит, что большой кристалл можно разделить на одинаковые прямоугольные параллелепипеды — элементарные ячейки, содержащие минимальное число атомов. Если размеры сторон параллелепипеда отличаются, то будут отличаться и оптические свойства кристалла вдоль разных направлений. Чтобы это проверить, ученые вырастили кристаллы с квадратным и прямоугольным основанием. Как и предполагалось, анизотропия в плоскости наблюдалась только во втором случае. Таким образом, наличие анизотропии зависело от структуры конкретного кристалла перовскита.

Изменение химического состава / ©NanoLetters

Затем исследователи решили изменить химический состав перовскита CsPbBr3. Для этого кристалл помещали в газовую атмосферу соляной кислоты HCl, где происходило постепенное замещение атомов брома на хлор. Так же плавно уменьшался показатель преломления. А значит, регулируя время химической реакции, ученые могли регулировать оптические свойства материала.

Кроме того, они обнаружили аномально большое значение анизотропии у перовскита. На определенных длинах волн, при возбуждении экситонного резонанса, этот показатель был выше, чем у всех известных трехмерных неслоистых материалов. Экспериментальные результаты были подтверждены с помощью компьютерного моделирования. Дальше физики масштабировали открытие. Они показали, что кристаллы сохраняют оптические свойства в масштабах от нескольких нанометров до миллиметров. Чтобы показать практический потенциал перовскита, исследователи создали на его основе волновод, который собирает и переносит падающий свет.

«Перовскиты на сегодняшний день — наиболее перспективный материал для солнечной энергетики. Мы показали, что они также обладают и замечательными оптическими свойствами, что открывает новые перспективы использования перовскитов в оптоэлектронике, в частности для создания оптических логических элементов, маршрутизаторов оптического сигнала, экранов», — отметил Иван Иорш, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО.

Совокупность оптических свойств перовскита бромида свинца цезия: настраиваемая анизотропия на масштабах до миллиметров и ее аномально высокое значение среди трехмерных материалов — открывают широкие возможности для применения материала в нанофотонике и оптоэлектронике.

«Ключевой результат работы: мы первые количественно объяснили, что перовскиты анизотропны и это надо учитывать. Показали, что их анизотропность — самая большая среди трехмерных материалов. Мы научились контролировать ее химически и ищем новые способы управления, например, нагревом, электрическим полем или лазерным облучением. Тот, кто умеет управлять анизотропией, может управлять светом как угодно. Наша задача — ускорить переключение для бо́льших приложений, например в гаджетах, где нужно практически мгновенное изменение оптических свойств», — поделился Георгий Ермолаев.

«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В нашей лаборатории реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr3 и разработка устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегами из МФТИ и ИТМО за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — добавляет Артур Иштеев, ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
22 февраля
РНФ

Ученые показали, что экстремальный подъем уровня Каспийского моря на десятки метров, произошедший 18-13 тысяч лет назад и получивший название «Великая Хвалынская трансгрессия», мог быть вызван, вопреки существующим гипотезам, не таянием ледника, а естественными изменениями палеоклимата. Оказалось, что из-за холодного климата того периода обширные территории, с которых собирали воду впадающие в Каспий реки, были покрыты многолетней мерзлотой. В результате массы дождевых и талых вод почти не впитывались в мерзлые грунты и стекали в море, испарение с поверхности которого было небольшим. Все эти факторы привели к повышению уровня Каспия и увеличению площади моря более чем вдвое по сравнению с современным. Полученные данные помогут уточнить представления о масштабе колебаний уровня Каспийского моря при изменении климата.

Сегодня, 08:56
Михаил Орлов

Змеи — широко распространенные и разнообразные рептилии, которые очень близки ящерицам и в ходе эволюции произошли именно от них. Среди более четырех тысяч видов змей есть жители почти всех континентов и крупных островов, освоившие самые разнообразные экологические ниши и способные питаться почти кем угодно. Авторы новой статьи в Science проанализировали геномы более тысячи видов чешуйчатых (змей и ящериц), данные об их рационе и объяснили, как возникло уникальное разнообразие змей.

Позавчера, 11:23
Полина

Многие родители стремятся отдать детей в двуязычную школу, чтобы те развивались лучше и быстрее. Однако такое образование способно даже навредить ребенку, показало исследование.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

22 февраля
РНФ

Ученые показали, что экстремальный подъем уровня Каспийского моря на десятки метров, произошедший 18-13 тысяч лет назад и получивший название «Великая Хвалынская трансгрессия», мог быть вызван, вопреки существующим гипотезам, не таянием ледника, а естественными изменениями палеоклимата. Оказалось, что из-за холодного климата того периода обширные территории, с которых собирали воду впадающие в Каспий реки, были покрыты многолетней мерзлотой. В результате массы дождевых и талых вод почти не впитывались в мерзлые грунты и стекали в море, испарение с поверхности которого было небольшим. Все эти факторы привели к повышению уровня Каспия и увеличению площади моря более чем вдвое по сравнению с современным. Полученные данные помогут уточнить представления о масштабе колебаний уровня Каспийского моря при изменении климата.

21 февраля
Ольга Иванова

Канадские исследователи изучили поведение приматов в естественной среде обитания и пришли к выводу, что те из них, кто имеет врожденные аномалии или покалечен в процессе жизни, вполне неплохо адаптируются к своим недостаткам. Они не только выживают, но и размножаются. Более того, им активно помогают сородичи.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

1 февраля
Андрей

Канадские исследователи изучили состав пород, вышедших на поверхность при появлении первых континентов. По итогам анализа выяснилось, что новая земная кора возникла не в результате движения тектонических плит, а из-за процессов в океанических плато молодой Земли.

15 февраля
Дарья Губина

Титан — самый органически богатый спутник с глобальным океаном в Солнечной системе. И все же, сопоставив строение его поверхности с интенсивностью падения метеоритов, ученые пришли к выводу, что в океане спутника Сатурна вряд ли хватает элементов для жизни.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: