纳米级钙钛矿激光加工技术在太阳能电池和光电子领域的突破

时间:2020-04-28 23:38 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

纳米级钙钛矿激光加工技术在太阳能电池和光电子领域的突破

科学家们已经开发出一种精确、快速和高质量的激光处理卤化物钙钛矿的方法,这是一种很有前途的用于太阳能、光电子和超材料的发光材料。

远东联邦大学(FEFU)的科学家与来自ITMO大学、德国、日本和澳大利亚的大学的同事合作,开发了一种精确、快速和高质量的激光加工卤化物钙钛矿(CH3NH3PbI3)的方法,这是一种很有前途的用于太阳能、光电子和超材料的发光材料。由非常短的激光脉冲(飞秒激光)构成的钙钛矿被证明是具有空前质量的功能纳米元素。一篇相关的文章发表在了《自然》杂志上。

钙钛矿是19世纪上半叶在俄罗斯乌拉尔地区发现的一种由钙、钛和氧原子组成的矿物。今天,由于钙钛矿独特的性质,它是太阳能和开发光子学发光器件(如led和微激光器)的新兴材料。它们成为最受关注的材料,吸引了世界各地的科学团体的兴趣。

主要缺点是处理复杂。钙钛矿在电子束、液体或温度的影响下很容易降解,失去了科学家们感兴趣的特性。这大大增加了利用电子束光刻等常用方法制造功能性钙钛矿纳米结构的复杂性。

来自俄罗斯符拉迪沃斯托克的FEFU和俄罗斯圣彼得堡的ITMO大学的科学家与外国同事合作,提出了一种利用飞秒激光脉冲处理有机-无机钙钛矿的独特技术,解决了这个问题。输出是具有可控特性的高质量纳米结构。

利用强脉冲激光对砷化镓等传统半导体材料进行纳米化是非常困难的。来自ITMO大学物理与工程学院的首席研究员Sergey Makarov说:“热量被分散到各个方向,所有薄而锋利的边缘都被热量扭曲了。”这就像你试图做一个微缩的纹身,但由于颜料在皮肤下扩散,你只会得到一个丑陋的蓝色斑点。钙钛矿的导热性很差,所以我们的图样非常精确,非常小。

钙钛矿薄膜激光划片是现代太阳能电池生产链的重要技术环节。到目前为止,这个过程不是很精确,而且对钙钛矿材料具有很大的破坏性,因为其最外层由于温度退化而失去了功能特性。新技术可以帮助解决这个问题,制造高性能的太阳能电池。

钙钛矿是一种由有机和无机两部分组成的复合材料。我们使用超短激光脉冲快速加热和定向蒸发钙钛矿的有机部分,在相当低的温度160 C0。激光强度是这样调整的,使有机部分的熔化/蒸发不受无机部分的影响。这样的无损处理使我们获得了前所未有的高质量的钙钛矿功能结构。技术开发人员之一、纳米技术研究中心的研究员阿列克谢·日兹琴科说。来自费夫工程学院。

FEFU和ITMO大学的科学家指出了他们的发展可以带来切实成果的三个领域。

我们已经证明了我们的方法的相关性,通过生产衍射光栅和微带激光器的最终小宽度只有400纳米。这些特性尺寸为未来光通信芯片和计算机的有源元件的发展铺平了道路。Alexey Zhizhchenko说。

其次,在激光的帮助下,人们可以改变钙钛矿碎片的可见颜色,而不需要使用染料。根据需要,材料可以是黄色、黑色、蓝色、红色。

这可以用来制作各种颜色的太阳能板。谢尔盖·马卡洛夫说,现代建筑允许太阳能电池板覆盖整个建筑表面,但并不是所有客户都想要普通的黑色电池板。

第三个应用是制造用于光学传感器和光学芯片的纳米激光器,这些传感器和光芯片传输信息不是由于电子流动而是由于光子流动。

简单、快速、低成本地生产这些元件将带来一个计算机技术的新时代,它的工作原理是控制光。根据提议的技术对钙钛矿进行处理,有机会在每分钟获得数千乃至数十万纳秒。这项技术的引进将使世界更接近光学计算机的发展。

该技术的另一个关键特性是,它允许钙钛矿逐层细化。这为利用钙钛矿设计和制造更复杂的三维微结构开辟了道路,例如,微尺度涡流发射激光器,这是下一代光通信中信息复用的高度要求。FEFU神经技术、VR和AR中心的研究人员Aleksandr Kuchmizhak说,重要的是,这样的处理保持甚至改善了由于化学成分改变而钝化的薄层的发光性能。

本研究聚集了来自FEFU、ITMO大学、IAPC FEB RAS、RAS高温联合研究所、鲁尔-博春大学(德国)、东海大学(日本)和斯威本理工大学(澳大利亚)的专家。

以前,在2019年的春天,一组科学家从FEFU ITMO大学、德克萨斯大学达拉斯和澳大利亚国立大学发明了一种有效的,快速和廉价的方法制备钙钛矿microdisk激光作为承诺的强相干光照射来源光学芯片和光学计算机的新一代。

参考文献:通过超快激光处理卤化物钙钛矿,实现了发光纳米光子设计;作者:Alexey Y. Zhizhchenko, Pavel Tonkaev, Dmitry Gets, Artem Larin, Dmitry Zuev, Sergey Starikov, Eugeny V. Pustovalov, Alexander M. Zakharenko, Sergei A. Kulinich, Saulius Juodkazis, Aleksandr A. Kuchmizhak和Sergey V. Makarov, 2020年4月20日,Small。

DOI: 10.1002 / smll.202000410

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