Наука и техника

Сайт посвящен машинному обучению, ИИ, ГМО и многому другому технологичному

Новейшие направления в науке, которыми занимаются в Университете ИТМО

Вузы, где образование совмещено с научной работой, привлекают многих абитуриентов: это дает возможность еще на студенческой скамье включиться в разработку перспективных технологий. В числе таких технологий будущего, например, оптические методы передачи и обработки информации, солнечная энергетика, биомедицинские лазерные технологии. Фотонику и другие научные дисциплины можно изучать в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге на образовательных программах бакалавриата и магистратуры. Для того чтобы узнать, как именно строится научная работа в Университете ИТМО, мы посетили несколько лабораторий и поговорили с их сотрудниками о темах текущих исследований.

Перовскиты и нанофотоника

Физики из Международной лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники используют нанофотонику для улучшения перовскитных солнечных батарей — нового вида элементов, эффективность которых находится на одном уровне с традиционными батареями, а стоимость производства значительно ниже. Подробнее о работе ученых рассказывает старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов, кандидат физико-математических наук Сергей Макаров:

Так называемая перовскитная революция началась в 2009 году, когда группа японских ученых под руководством Акихиро Кодзимы (Akihiro Kojima) и Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) изготовила первые солнечные элементы на основе металл-органических соединений. Вообще говоря, такие соединения, напоминающие по своей структуре минерал перовскит, известны с середины XIX века, однако долгое время считались неинтересными для исследований. Правда, на глаз они довольно черные — а значит, хорошо поглощают свет. Поэтому у ученых возникла идея использовать эти соединения для производства солнечных батарей. При этом оказалось, что стоимость перовскитов низкая, а работать с ними сравнительно легко. Например, для производства батарей на основе арсенида галлия нужно использовать дорогостоящие установки для эпитаксиального (послойного) роста — это позволяет получить очень эффективные, но очень дорогие батареи, которые обычно устанавливают на космические корабли. Для производства перовскитных батарей подобные установки не нужны, и батареи получаются настолько дешевыми, насколько это вообще возможно.

Кроме того, с самого начала перовскиты показали высокую эффективность. Как правило, в дешевых солнечных элементах, основанных на красителях, в электроэнергию перерабатывается около десяти процентов энергии падающего света. Перовскиты же сразу — без всякой настройки — показали эффективность порядка четырех-пяти процентов. Это вызвало повышенный интерес исследователей, и с 2009 по 2016 год эффективность перовскитных батарей выросла до 23 процентов, практически достигнув уровня обычных кремниевых батарей. Теоретически этот результат можно улучшить еще сильнее, примерно до 66 процентов. При этом дизайн перовскитных батарей абсолютно тот же, что и у существующих широко выпускаемых батарей — это позволяет использовать для них те же методы оптимизации и значительно упрощает производство. Сейчас перовскиты активно исследуют во многих лабораториях по всему миру.

Главная проблема перовскитных батарей — недолговечность. В настоящее время продолжительность жизни перовскитных батарей составляет менее 1500 часов, поэтому большинство исследований направлены именно на повышение устойчивости материалов. Тем не менее, некоторые ученые — в частности, наша группа — продолжают работать над эффективностью батарей. Наш подход в первую очередь связан с дополнительным улавливанием света. Перовскитные батареи построены на основе тонкопленочных технологий, толщина пленки в них фактически сравнима с длиной волны улавливаемого света. Грубо говоря, когда фотон попадает в такую пленку, он успевает проосциллировать всего один раз, а потом поглощается или частично отражается. С другой стороны, чем больше доля поглощенного излучения, тем эффективнее энергия света перерабатывается в электрическую. В обычных материалах эта доля очень маленькая, в перовските она гораздо выше, но он тоже поглощает далеко не всё. Соответственно, надо сделать так, чтобы он поглощал больше.

Именно здесь нам пригождается весь опыт, который был накоплен в области нанофотоники. Грубо говоря, возникает вопрос: как внедрить в прибор что-нибудь такое маленькое, чтобы повысить его эффективность, но не испортит отработанный дизайн? Мы придумали добавлять в батарею специальные кремниевые наноантенны — когда свет проникает внутрь перовскита, он наталкивается на них и задерживается. В каком-то смысле это напоминает кружку с водой. Если потрясти кружку, по ней побегут круги — возникнут стоячие волны. Так же и свет, когда попадает в условную кружку с водой (то есть в наноантенну), возбуждает в ней оптические моды колебаний. В результате вместо того, чтобы проосциллировать в пленке один раз и отразиться, свет запутывается в частице и задерживается в перовските гораздо дольше. А каждое колебание — это дополнительное поглощение. Такое «умное» окружение позволяет увеличить эффективность поглощения пленки, никак не сказываясь на затухании электрического сигнала. При этом толщина пленки остается прежней, а значит, ее можно спокойно использовать в стандартных схемах производства батарей.

Что изучает нанофотоника?

Нанофотоника изучает способы, с помощью которых можно управлять светом на масштабе нанометров. Все привычные для нас оптические элементы — очки, телескопы и так далее — работают на масштабах значительно больше длины волны, на которых волновые свойства света практически не сказываются. Это область геометрической оптики. В некоторых приборах, например, в дифракционных решетках, характерные размеры структуры сравнимы с длиной волны. Довольно хорошей дифракционной решеткой может служитьобычный CD-диск — расстояние между его дорожками составляет около 1600 нанометров, а длина волны оптического илучения лежит в диапазоне от 450 до 750 нанометров. В нанофотонике характерные размеры структур примерно в сто раз меньше.

Чтобы проверить предложенный способ на практике, мы вязли стандартный перовскит, который чаще всего встречается в исследованиях — соединение метиламмония свинца и иода. Этот материал хорошо изучен, его характеристики хорошо известны, и поэтому мы можем четко выделить на нем вклад наночастиц. Обычно эффективность таких батарей составляет примерно 18 процентов, а добавление наших частиц увеличило ее до 19 процентов. Казалось бы, один процент — это не очень много. Однако стоимость производства и внедрения наноантенн в батарею очень низкая. Мы просто фокусируем лазер на специальном составе, и буквально за несколько минут нарабатываем столько частиц, что их хватит на один модуль. Нанести их на батарею тоже несложно — достаточно капнуть составом на наполовину изготовленную батарею, а потом размазать его ровным слоем. Это очень просто и дешево сделать, и эффективность батареи вырастет на целый процент. Ну и, конечно, следующий шаг — взять текущих рекордсменов среди перовскитов и добавить наноантенны уже в них. Тогда мы побьем текущий рекорд.

Разумеется, наша работа ограничивается не только солнечными батареями. Например, мы используем перовскиты для производства дисплеев. В настоящее время заметную часть рынка светодиодов занимают органические светодиоды (OLED), которые дешевы в производстве и имеют высокую энергоэффективность. Постепенно их замещают квантовые точки, эффективность которых еще выше, порядка 90 процентов энергии они преобразуют в излучение. Эффективность перовскитов теоретически должна превышать даже это значение. На практике оно, правда, пока составляет всего 15-20 процентов, однако эта область очень бурно растет, и результат постоянно улучшается. Кроме того, перовскиты излучают более узкие спектральные линии, то есть получаемые с их помощью цвета еще более чистые. Более синий «синий», более красный «красный», более зеленый «зеленый». Настраивать цвет тоже довольно просто — достаточно просто добавить в перовскит нужные примеси, встроить их в кристаллическую решетку. Добавите хлор — получится синий диод, добавите бром — зеленый, иод — красный. Самое интересное, что примеси можно смешать — в этом случае цвет изменится, но все еще будет оставаться чистым. То есть он получается не за счет смешивания базовых цветов, изменяется сама длина волны.

Конечно, в обычных RGB-дисплеях это не используется, но идея перспективная. Мы этим направлением тоже занимаемся, изготавливаем довольно яркие светодиоды. Мне кажется, что в будущем перовскиты заменят текущую технологию.
Как и с солнечными батареями, основная задача при производстве перовскитных светодиодов — повысить стабильность, то есть увеличить их долговечность. Этого можно добиться, подбирая правильные электроды и окружающие перовскит материалы. Также нужно учитывать внутренние процессы в перовските — под действием электрического поля электроны начинают двигаться по объему материала сложным образом, приобретают разные скорости, заходят в разные области, начинают разделяться. В результате получается, что теория предсказывает оранжевый свет диода, включаешь диод — он начинает светить оранжевым, но потом меняет цвет на красный. Поэтому перовскиты нужно стабилизировать, чтобы их характеристики никуда не уползали.

Разное