Солнечные панели станут дешевле и тоньше: секрет кроется в лазерном импульсе, который отменяет законы физики

Ученые совершили прорыв в создании современных полупроводниковых материалов, которые лежат в основе солнечных панелей и микрочипов. Они разработали технологию, позволяющую формировать высококачественные перовскитные пленки без экстремального нагрева, используя лишь лазерные импульсы. Этот метод открывает путь к производству более эффективных и доступных электронных устройств. Об этом со ссылкой на исследовательскую группу Университета Твенте сообщает портал Earth.com.

Суть новой лазерной технологии

Традиционные методы производства многих полупроводников требуют нагрева материалов в печах до температур, превышающих 800 градусов Цельсия. Это энергозатратно и накладывает серьезные ограничения на совместимость с другими компонентами, особенно с гибкими или уже готовыми схемами. Голландские исследователи под руководством профессора Моники Моралес-Масис предложили инновационное решение — импульсное лазерное осаждение.

"Наш процесс позволяет выращивать упорядоченные кристаллические пленки при комнатной температуре, что кардинально меняет возможности интеграции перовскитов в сложные устройства", — отмечает руководитель исследования профессор Моника Моралес-Масис, специалист по тонкопленочным материалам из Университета Твенте.

Суть метода заключается в следующем: мощные лазерные импульсы направляются на мишень из исходного материала, выбивая из нее микроскопические частицы. Образовавшееся облако пара осаждается на подготовленную подложку в вакуумной камере.

Ключевой момент — использование подложки из хлорида калия, кристаллическая решетка которого выступает в роли идеального шаблона. Атомы перовскита, оседая, не хаотично слипаются, а выстраиваются в строгий порядок, повторяя структуру основы. В результате получается так называемая эпитаксиальная пленка с минимальным количеством дефектов.

Преимущества для энергетики и электроники

Получение высокоупорядоченных полупроводниковых слоев при комнатной температуре — это значительный шаг вперед для нескольких отраслей. Во-первых, это солнечная энергетика. Перовскитные солнечные элементы уже показывают феноменальный КПД в лабораториях, но их стабильность и переход к массовому производству часто сдерживаются именно дефектами в пленке.

Новый метод позволяет создавать более чистые и совершенные светопоглощающие слои, что напрямую ведет к повышению эффективности и долговечности будущих солнечных панелей. Пропуск этапа высокотемпературного отжига не только экономит энергию, но и позволяет наносить перовскитные слои на готовые кремниевые элементы, создавая тандемные солнечные панели с рекордным КПД, или на гибкие подложки.

Во-вторых, технология перспективна для микроэлектроники и оптоэлектроники. Чистые полупроводниковые пленки с минимумом дефектов — основа для создания более быстрых и экономичных микрочипов, ярких и эффективных светодиодов (LED), а также чувствительных фотодетекторов. Возможность осаждать такие материалы на готовые схемы или тонкие пленки открывает двери для проектирования принципиально новых многофункциональных устройств. Кроме того, низкотемпературный процесс упрощает инкапсуляцию — герметизацию слоев, что особенно важно для решения экологических вопросов, связанных с содержанием свинца в некоторых перовскитах.

Будущее перовскитных технологий

Разработка голландских ученых — это не просто лабораторный эксперимент, а важный технологический принцип. Он демонстрирует, что высокое качество полупроводникового материала не обязательно должно достигаться ценой огромных энергозатрат и экстремальных условий. Интеграция лазерного осаждения в существующие промышленные процессы выглядит реалистичной задачей, над которой уже работают в рамках национальных инициатив по масштабированию солнечной энергетики.

Пленки, созданные по новой методике, сохраняют стабильные оптические свойства более 300 дней, а расчеты показывают, что напряжение в эпитаксиальном слое можно тонко настраивать, управляя свойствами итогового устройства.

Следующим логичным шагом станет создание рабочих прототипов устройств — от опытных солнечных элементов до детекторов света. Если эти испытания будут успешными, новая методика может лечь в основу пилотных производственных линий, где инновационные материалы будут создаваться с минимальным потреблением энергии.

Таким образом, прорыв в области лазерного выращивания полупроводников при комнатной температуре закладывает фундамент для следующего поколения электроники — более эффективной, универсальной и доступной в производстве. Это яркий пример того, как фундаментальное исследование контроля роста кристаллов может привести к практическим решениям глобальных задач в энергетике и технологиях.