Перовскиты, семейство материалов с уникальными электрическими свойствами, перспективны для использования в различных областях, включая солнечные элементы следующего поколения. Группа ученых под руководством штата Пенсильвания разработала новый процесс изготовления больших устройств из перовскита, который является более эффективным с точки зрения затрат и времени, чем это было возможно ранее, и который, по их словам, может ускорить открытие материалов в будущем.
«Этот метод, который мы разработали, позволяет нам легко создавать очень большие массивные образцы в течение нескольких минут, а не дней или недель, как при использовании традиционных методов», — сказал Луяо Чжэн, научный сотрудник Департамента материаловедения Пенсильванского университета и ведущий автор исследования. . «А материалы у нас качественные — по своим свойствам они могут конкурировать с монокристаллическими перовскитами».
Для создания устройств исследователи использовали метод спекания, называемый методом спекания с помощью электрического и механического поля (EM-FAST). Спекание является широко используемым процессом для прессования мелких порошков в твердую массу материала с использованием тепла и давления.
Типичный процесс изготовления перовскитов включает в себя мокрую химию — материалы разжижаются в растворе, а затем затвердевают в тонкие пленки. Эти материалы обладают превосходными свойствами, но этот подход является дорогостоящим и неэффективным для создания крупных перовскитов, а используемые растворители могут быть токсичными, говорят ученые.
«Наша техника — лучшее из обоих миров», — сказал Бед Пудель, профессор-исследователь из Университета штата Пенсильвания и соавтор. «Мы получаем свойства монокристалла, и нам не нужно беспокоиться об ограничениях по размеру или о каком-либо загрязнении или выходе токсичных материалов».
Поскольку в методе EM-FAST используются сухие материалы, он открывает двери для включения новых присадок, ингредиентов, добавляемых для изменения свойств устройства, которые несовместимы с жидкой химией, используемой для изготовления тонких пленок, что потенциально ускоряет открытие новых материалов, считают ученые.
«Это открывает возможности для проектирования и разработки новых классов материалов, в том числе более совершенных термоэлектрических и солнечных материалов, а также детекторов рентгеновского и гамма-излучения», — сказал Амин Нозариасмарз, доцент-исследователь Пенсильванского университета и соавтор. «Некоторые области применения нам уже известны, но, поскольку это новый метод создания новых галогенидных перовскитовых материалов с контролируемыми свойствами, структурой и составом, возможно, в будущем найдется место для новых прорывов».
Кроме того, новый процесс позволяет накладывать материалы слоями — один порошок под другим — для создания дизайнерских композиций. По словам ученых, в будущем производители смогут разрабатывать специальные устройства, а затем напрямую печатать их из сухих порошков.
«Мы ожидаем, что этот перовскит FAST откроет новое измерение для высокопроизводительного синтеза материалов, будущего производства устройств для печати непосредственно из порошка и ускорения открытия материалов для новых композиций перовскита», — сказал Кай Ван, доцент-исследователь Пенсильванского университета и соавтор.
EM-FAST, также известный как искровое плазменное спекание, включает в себя воздействие электрического тока и давления на порошки для создания новых материалов. Процесс имеет 100% выход — все сырьевые ингредиенты попадают в конечное устройство, в отличие от 20–30% при обработке на основе растворов.
Этот метод производил перовскитные материалы со скоростью 0,2 дюйма в минуту, что позволило ученым быстро создавать большие устройства, которые сохраняли высокую производительность в лабораторных испытаниях. Команда сообщила о своих выводах в журнале Nature Communications.
Ученые штата Пенсильвания уже давно используют EM-FAST для создания термоэлектрических устройств. По словам ученых, эта работа представляет собой первую попытку создания перовскитовых материалов с помощью этой техники.
«Из-за того, что у нас есть опыт, мы говорили и думали, что можем изменить некоторые параметры и попробовать это с перовскитами», — сказал Нозариасбмарз. «И это только что открыло дверь в новый мир. Эта бумага является связующим звеном с этой дверью — с новыми материалами и новыми свойствами».
Теги: батарея, энергия
