Το «Ενεργειακό σάντουιτς» θα μπορούσε να τροφοδοτήσει την ηλιακή και τον φωτισμό επόμενης γενιάς
Οι ερευνητές πέτυχαν ένα νέο επίπεδο ελέγχου της ατομικής δομής μιας οικογένειας υλικών γνωστών ως περοβσκίτες αλογονιδίων, δημιουργώντας ένα καλά συντονισμένο «ενεργειακό σάντουιτς» που θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο κατασκευής των ηλιακών κυψελών, των LED και των λέιζερ. Credit: Yang Lu Οι ερευνητές πέτυχαν ένα νέο επίπεδο ελέγχου της ατομικής δομής μιας οικογένειας υλικών γνωστών ως περοβσκίτες αλογονιδίων, δημιουργώντας ένα καλά συντονισμένο “ενεργειακό σάντουιτς” που θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο κατασκευής των ηλιακών κυψελών, των LED και των λέιζερ. Λόγω της αξιοσημείωτης ικανότητάς τους να απορροφούν και να εκπέμπουν φως και επειδή είναι φθηνότεροι και μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να μετατρέπουν μεγαλύτερο μέρος του ηλιακού φάσματος σε ενέργεια από το πυρίτιο, οι περοβσκίτες έχουν από καιρό διαφημιστεί ως πιθανή αντικατάσταση του πυριτίου σε ηλιακά κύτταρα, LED και κβαντικές τεχνολογίες. Ωστόσο, η αστάθεια και η ανθεκτικότητά τους έχει περιορίσει, μέχρι στιγμής, σε μεγάλο βαθμό τις συσκευές περοβσκίτη στο εργαστήριο. Επιπλέον, οι επιστήμονες έχουν αγωνιστεί να ελέγξουν με ακρίβεια το πάχος των μεμβρανών περοβσκίτη και να ελέγξουν πώς αλληλεπιδρούν διαφορετικά στρώματα περοβσκίτη όταν στοιβάζονται μεταξύ τους – ένα σημαντικό βήμα στην κατασκευή λειτουργικών, πολυεπίπεδων δομών. Επανάσταση στην ανάπτυξη φιλμ περοβσκίτη Τώρα, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ έχει βρει έναν νέο τρόπο για την ανάπτυξη εξαιρετικά λεπτών στρωμάτων μεμβρανών περοβσκίτη, ώστε τα άτομα τους να ευθυγραμμίζονται τέλεια, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει πιο ισχυρές, ανθεκτικές και αποτελεσματικές συσκευές. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τεχνική βασισμένη στον ατμό για να αναπτύξουν τρισδιάστατους και δισδιάστατους περοβσκίτες ένα στρώμα τη φορά, κάτι που τους επέτρεψε να ελέγχουν το πάχος των μεμβρανών μέχρι τα κλάσματα ενός ατόμου. Τα αποτελέσματά τους, που αναφέρονται στο περιοδικό Science, θα μπορούσαν να ανοίξουν την πόρτα σε χρησιμοποιήσιμες συσκευές περοβσκίτη που μπορούν να παραχθούν σε κλίμακα, χρησιμοποιώντας μια διαδικασία όπως αυτή που χρησιμοποιείται για την κατασκευή εμπορικών ημιαγωγών. Κάθε στρώμα σε ένα “σάντουιτς” ημιαγωγών κάνει διαφορετική δουλειά στην κίνηση των ηλεκτρονίων και των θετικά φορτισμένων ομολόγων τους – που ονομάζονται τρύπες – γύρω και καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο οι ημιαγωγοί απορροφούν ή εκπέμπουν φως. Μαζί, τα στρώματα λειτουργούν σαν μονόδρομοι που οδηγούν τα ηλεκτρικά φορτία σε αντίθετες κατευθύνσεις, εμποδίζοντάς τα να προσκρούσουν το ένα στο άλλο και να σπαταλήσουν ενέργεια ως θερμότητα. Σε άλλους ευρέως χρησιμοποιούμενους ημιαγωγούς, όπως το πυρίτιο ή νεότερα υλικά όπως το νιτρίδιο του γαλλίου, οι ιδιότητες των επιμέρους στρωμάτων μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους. Όμως, οι περοβσκίτες, παρά την εξαιρετική τους απόδοση, μέχρι στιγμής έχουν αποδειχθεί δύσκολοι στον έλεγχο σε πολυεπίπεδες συσκευές, εν μέρει λόγω της «χαοτικής» ατομικής δομής τους. Οι ερευνητές πέτυχαν ένα νέο επίπεδο ελέγχου της ατομικής δομής μιας οικογένειας υλικών γνωστών ως περοβσκίτες αλογονιδίων, δημιουργώντας ένα καλά συντονισμένο «ενεργειακό σάντουιτς» που θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον τρόπο κατασκευής των ηλιακών κυψελών, των LED και των λέιζερ. Credit: Η επεξεργασία του Yang Lu Vapor επιτρέπει την ατομική ακρίβεια “Πολλές έρευνες περοβσκίτη χρησιμοποιούν επεξεργασία διαλύματος, η οποία είναι ακατάστατη και δύσκολο να ελεγχθεί”, είπε ο καθηγητής Sam Stranks από το Τμήμα Χημικής Μηχανικής και Βιοτεχνολογίας, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της έρευνας. «Με τη μετάβαση στην επεξεργασία ατμού – την ίδια μέθοδο που χρησιμοποιείται για τους τυπικούς ημιαγωγούς – μπορούμε να έχουμε τον ίδιο βαθμό ατομικού ελέγχου, αλλά με υλικά που είναι πολύ πιο επιεικής». Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν συνδυασμό τρισδιάστατων και δισδιάστατων περοβσκιτών για να δημιουργήσουν και να ελέγξουν τις ατομικά συντονισμένες στοίβες τους, ένα φαινόμενο γνωστό ως επιταξιακή ανάπτυξη. Αυτός ο λεπτός έλεγχος επέτρεψε στην ομάδα να παρατηρήσει απευθείας πώς το φως που εκπέμπεται από το υλικό αλλάζει ανάλογα με το αν είναι ένα μόνο στρώμα, ένα διπλό στρώμα ή παχύτερο. «Η ελπίδα ήταν ότι θα μπορούσαμε να αναπτύξουμε έναν τέλειο κρύσταλλο περοβσκίτη όπου αλλάζουμε τη χημική σύνθεση στρώμα προς στρώμα, και αυτό κάναμε», είπε ο συν-πρωτογράφος Δρ. Yang Lu από το Τμήμα Χημικής Μηχανικής και Βιοτεχνολογίας του Cambridge και του Εργαστηρίου Cavendish. «Είναι σαν να φτιάχνουμε έναν ημιαγωγό από τη βάση, το ένα ατομικό στρώμα μετά το άλλο, αλλά με υλικά που είναι πολύ πιο εύκολο και φθηνό στην επεξεργασία». Έλεγχος της συμπεριφοράς φορτίου και του δυναμικού της συσκευής Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι θα μπορούσαν να σχεδιάσουν τις διασταυρώσεις μεταξύ των στρωμάτων για να ελέγξουν εάν τα ηλεκτρόνια και οι οπές παραμένουν μαζί ή χωριστά – ένας βασικός παράγοντας για το πόσο αποτελεσματικά ένα υλικό εκπέμπει φως. «Έχουμε φτάσει σε ένα επίπεδο συντονισμού που δεν υπήρχε καν στο ραντάρ μας όταν ξεκινήσαμε», δήλωσε ο καθηγητής Sir Richard Friend από το Cavendish Laboratory, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της έρευνας. «Μπορούμε τώρα να αποφασίσουμε τι είδους διασταύρωση θέλουμε – μια που συγκρατεί τα φορτία μαζί ή μια που τα απομακρύνει – απλώς αλλάζοντας ελαφρά τις συνθήκες ανάπτυξης». Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να συντονίσουν τη διαφορά ενέργειας μεταξύ των στρωμάτων κατά περισσότερο από μισό ηλεκτρονιοβολτ και σε ορισμένες περιπτώσεις, να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής των ηλεκτρονίων και των οπών σε πάνω από 10 μικροδευτερόλεπτα: πολύ περισσότερο από το συνηθισμένο. Η ομάδα λέει ότι αυτό το επίπεδο ακρίβειας θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για επεκτάσιμες, υψηλής απόδοσης συσκευές που χρησιμοποιούν το φως με νέους τρόπους, από λέιζερ και ανιχνευτές έως κβαντικές τεχνολογίες επόμενης γενιάς. “Η αλλαγή της σύνθεσης και της απόδοσης των περοβσκιτών κατά βούληση – και η διερεύνηση αυτών των αλλαγών – είναι ένα πραγματικό επίτευγμα και αντανακλά τον χρόνο και τις επενδύσεις που έχουμε κάνει εδώ στο Cambridge”, δήλωσε ο Stranks. «Αλλά το πιο σημαντικό, δείχνει πώς μπορούμε να φτιάξουμε ημιαγωγούς που λειτουργούν από περοβσκίτες, κάτι που μια μέρα θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο φτιάχνουμε φθηνά ηλεκτρονικά και ηλιακά κύτταρα». Περισσότερες πληροφορίες: Yang Lu et al, Layer-by-layer epitaxial development of perovskite heterostructures with tutable band offsets, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adx5685. www.science.org/doi/10.1126/science.adx5685 Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ Αναφορά: Το “Energy sandwich” θα μπορούσε να τροφοδοτήσει ηλιακά και φωτιστικά επόμενης γενιάς (2025, 13 Νοεμβρίου) που ανακτήθηκε στις 14 Νοεμβρίου 2025 από https://techxplore.com/news/2025-11-energy-sandwich-power-generation-solar.html Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Εκτός από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς τη γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.
Δημοσιεύτηκε: 2025-11-13 19:00:00
πηγή: techxplore.com
