Если говорить о предыстории гибридных перовскитов (типичных органо-неорганических материалов), не так давно об их потенциале в качестве замены кремниевых фотоэлементов никто и не догадывался. Ведь в XIX веке перовскит был известен лишь как редкий природный материал — титанат кальция. Еще примерно 15 лет назад перовскиты были практически никому не интересны, ведь их эффективность применительно к фотовольтаике и светодиодам была совсем невелика. Однако за это время специалисты в ряде ведущих лабораторий мира, в том числе в Техасском Университете Далласа, провели исследования, после которых эффективность перовскитов существенно улучшилась, что привело к так называемой «перовскитной революции», когда КПД этого материала стал стремительно расти. Недаром журнал Science включил перовскиты как перспективный элемент для солнечных батарей в список прорывных технологий 2013 года. В настоящее время КПД перовскитов составляет более 22%, что делает их сопоставимыми с полупроводниками. При этом технология их изготовления не только проще, но и позволяет применять их на любых гибких основах — от листа бумаги до одежды.
Планы у ученых Международного центра нанофотоники и метаматериалов далеко идущие: они намерены существенно увеличить эффективность оптоэлектронных устройств на основе гибридных перовскитов за счет ряда высокотехнологичных методов. Исследователи будут создавать массивы разных нанофотонных структур методом лазерной печати наночастиц на перовскиты. То есть это будут не просто перовскиты, а перовскиты с внедренными функциональными наноструктурами. Помочь ученым из новой лаборатории по созданию органо-неорганических материалов с включенными нанофотонными структурами обещают и их партнеры из Академического Университета. Так что специалисты ожидают увеличения эффективности солнечных батарей и светодиодов на основе новых гибридных материалов.
«КПД солнечных элементов на основе гибридных перовскитов с момента их исследования в „нулевых“ составлял всего пару процентов. Но в 2012 году их эффективность превысила 10% и продолжила стремительно расти, что привело к своеобразной революции. Безусловно, эффективность будет повышаться, но никто не знает, кто и за счет чего осуществится новый прорыв. Например, я не могу даже представить значение эффективности, которую мы получим на финальной стадии выполнения проекта. С одной стороны, расчетное значение КПД составляет 25%, как у лучших образцов солнечных элементов первого поколения. Мы ставим своей целью как минимум сравняться с наиболее распространенными кремниевыми аналогами, которые достигли насыщения в развитии. Если перовскиты достигнут эффективности полупроводников, они со временем вытеснят их с рынка из-за гораздо более дешевой технологии производства. Светодиоды будут настолько дешевы и компактны, что мир вокруг нас изменится до неузнаваемости», — добавляет сотрудник Центра Сергей Макаров.
«Рабочие лошадки» и проблемы
Ученый увлеченно рассказывает о необычных свойствах, которыми интересны перовскиты, — квазичастицах-экситонах, которые существуют в неорганических полупроводниках в подавляющем большинстве случаев только при криогенных температурах, приближающихся к абсолютному нулю. Всему виной низкая энергия связи у пары «электрон-дырка», которая нестабильна при комнатных температурах. Экситон возникает, когда электрон переходит в зону проводимости и появляется так называемая дырка, которая остается в валентной зоне. Но в гибридных перовскитах из-за высоких энергий связи, несмотря даже на температурные флуктуации, пара электрон-дырка не «разбегается», а так и продолжает «гулять» вместе по кристаллу, сохраняя экситонную структуру. Сергей Макаров шутя называет экситоны «рабочими лошадками», которые будут выполнять ключевую роль в работе всех оптоэлектронных устройств, создаваемых в новой лаборатории.
Экситоны необходимы для оптоэлектронных устройств из-за отличной проводимости: они буквально путешествуют по кристаллу, не рассеиваясь и не взаимодействуя со встречными частицами. Благодаря этому свойству они легко переносят энергию и не теряют ее по дороге. Кроме того, во время рекомбинации экситоны не просто сохраняют вложенную в них энергию, но и эффективно ее излучают в виде света. Поэтому использование экситонов может послужить важной вехой в усовершенствовании солнечных батарей, оптических диодов и в перспективе лазеров. Но пока что получить их в обычных полупроводниках довольно трудно: для их создания необходимы крайне низкие температуры, которые в ближайшие годы никто не сможет создавать для домашних устройств и гаджетов.
Если же ограничения удастся обойти за счет использования новых материалов и солнечная энергетика станет совсем дешевой, то нефть будет использоваться только в химической промышленности и создании полимеров. Так что есть надежда, что уже наши внуки будут смотреть на своих предшественников как на дикарей, которые сжигали нефть, нанося существенный урон окружающей среде. Если говорить о светодиодах, то все идет к тому, что гаджеты на основе светодиодов из органо-неорганических материалов можно будет свернуть в трубочку или поместить в любое прозрачное стекло. В общем, человек будущего уже не удивится, если внезапно перед ним возникнет телевизор «из ничего».
Оборудование
В настоящее время ученые работают на оптических микроскопах, позволяющих работать в дальнем и ближнем поле, а также на приборах для флюоресцентной и рамановской спектроскопии с высоким пространственным и временным разрешением. Кроме того, совсем недавно имеющееся оборудование снабдили фемтосекундным лазером, что позволило развивать новые методы создания функциональных наноструктур и наночастиц, а также методы лазерной наноразмерной обработки материалов. Так, техника лазерной печати наночастиц впечатлила профессора Техасского университета Далласа Анвара Захидова — в частности, именно это послужило отправной точкой для сотрудничества с петербургскими коллегами. Изначально в планах ученого из США было применение техники лазерной печати наночастиц для создания перовскитных оптоэлектронных устройств с повышенной эффективностью. Как подчеркивает Сергей Макаров, оригинальные разработки сотрудников кафедры нанофотоники и метаматериалов нередко привлекают внимание и других зарубежных исследователей. Например, недавно их статьи нашли широкий резонанс в российской и западной прессе.
«Активные ученые много ездят и стараются создавать новые коллаборации. У нас уже был задел в области исследования новых оптических материалов, который дополнила идея Анвара Захидова по внедрению наноструктур в них. Так что фактически почва для эффективного взаимодействия была уже подготовлена: у него новые материалы (перовскиты), у нас — передовое оптическое оборудование. Разумеется, мы будем ездить в Даллас для проведения совместных экспериментов по синтезу и характеризации гибридных перовскитов. Но нашей конечной целью является создание в стенах Университета ИТМО самодостаточной лаборатории, в которой будет проводиться как синтез, так и полный цикл исследований, в результате которых будут созданы прототипы новых оптоэлектроных устройств», — добавляет Сергей Макаров.
Он также отмечает, что в рамках новой лаборатории будет происходить интенсивный обмен опытом между учеными из Университета ИТМО, имеющих серьезные разработки по нанофотонике, и приглашенными специалистами в области новых материалов и оптоэлектронных устройств.
«Оборудование — вещь весьма тонкая, — говорит Сергей Макаров. — Его нужно закупать с умом, чтобы потом оно не стояло без дела, чтобы были люди, которые смогут на нем эффективно работать. Сейчас мы планируем создать небольшой центр для синтеза органо-неорганических материалов на базе Университета ИТМО. Скорее всего, у нас будет специальная чистая камера в одном из помещений, где мы будем проводить синтез. Перовскиты неустойчивы в воздухе и буквально разваливаются из-за взаимодействия с молекулами воды, которые пытаются встроиться в кристаллическую решетку перовскита и разрушают ее. Поэтому нам нужны сухие условия, с возможностью работы в аргоновой атмосфере. Также должен быть отлаженный внутренний производственный цикл — от нанесения тонких слоев перовскитов и напыления дополнительных электродных слоев на них до создания непосредственно ячеек и устройств на их основе. В результате у нас появятся как солнечные элементы, так и светодиоды нового поколения».
Ученые готовы идти ва-банк: не просто заниматься исследованиями и публиковаться в высокорейтинговых журналах, но и патентовать свои технологии. Ведь ведущие зарубежные вузы в случае успешной разработки продают патенты за суммы, которые порой превышают любые гранты и даже их годовые бюджеты.
Если говорить о лаборатории в целом, и Анвар Захидов, и заведующий кафедрой нанофотоники и метаматериалов Павел Белов придерживаются единой стратегии: они настаивают, что новому подразделению нужны новые умы из России и из-за рубежа, которые будут постоянно приносить новые идеи и создавать новые направления исследований. В Университет ИТМО уже приходит немало молодых ученых по программе Fellowship, многие из которых — эмигрировавшие за границу ученые. Таким образом, новая лаборатория осуществляет возвращение «мозгов» домой.
«Многие исследователи интересуются этой областью — как метаматериалами, так и приложениями в виде фотовольтаики и светоизлучающих диодов. Это увлекательно еще и потому, что сфера, которую мы будем развивать и прикладная, и, вместе с тем, сугубо фундаментальная. Мы нацелены на самые высокие ориентиры — журналы уровня Nature, Advanced Materials, Nano Letters и другие», — заключает Сергей Макаров.
