Одно устройство на основе перовскита установило мировые рекорды одновременно в преобразовании солнечной энергии и светоизлучении — результат, которого прежде удавалось добиться лишь с дорогостоящим монокристаллическим арсенидом галлия. 

Исследование, опубликованное в журнале Joule, описывает диод, преобразующий солнечный свет в электричество с эффективностью 26,7% и излучающий свет с внешней квантовой эффективностью около 31%. Это доказывает, что давнее противоречие между конструкцией фотоэлектрических устройств и светодиодов является инженерной проблемой, а не фундаментальным физическим ограничением.

Объединяя два мира

Исследование провели Майкл МакГихи из Университета Колорадо в Боулдере и Цзисянь Сюй из Китайского университета науки и технологий. Металлогалогенидные перовскиты давно демонстрируют перспективность как для солнечных элементов, так и для светодиодов, однако два этих применения предъявляют к конструкции устройств противоположные требования. Эффективные светодиоды требуют тонких, прерывистых слоёв перовскита толщиной около 50 нанометров для рассеивания света наружу, тогда как солнечным элементам нужны слои примерно в шестнадцать раз толще — чтобы поглощать достаточно солнечного излучения. Устройства, которые пытались совместить оба свойства, исторически не справлялись ни с тем ни с другим.

Команда решила эту проблему, разработав пористые, похожие на губку островки из наночастиц оксида алюминия — так называемого e-Al₂O₃ — встроенных в слой перовскита. Двум группам наночастиц оксида алюминия придали противоположные поверхностные заряды, благодаря чему те самоорганизовались в структуры размером в несколько микрометров. Поскольку островки пористые, перовскит прорастает сквозь них, сохраняя электрический контакт и одновременно перенаправляя захваченный свет наружу.

Рекордные показатели

Молекулы, используемые для зарядки частиц оксида алюминия, также пассивируют дефекты в перовските, снижая скорость потери электрических зарядов на границах раздела до уровней, сопоставимых с высокоэффективными кремниевыми солнечными элементами. Подавление потерь на дефектах обеспечивает рециклинг фотонов: захваченные фотоны поглощаются повторно и переизлучаются с большей вероятностью выхода из устройства.

В режиме солнечного элемента устройство достигло внешне сертифицированного стабилизированного КПД преобразования энергии 26,7% — показатель, удерживавший мировой рекорд среди однопереходных перовскитных устройств с мая 2024 по февраль 2025 года. В режиме светодиода с тем же перовскитным слоем толщиной 800 нанометров устройство достигло внешней квантовой эффективности около 31%, а яркость оказалась почти в десять раз выше, чем у плоского контрольного устройства. Кроме того, устройство сохранило 95% начальной эффективности солнечного элемента после 1200 часов непрерывной работы, тогда как у плоского контрольного образца этот показатель составил лишь 67%.

От лаборатории к применению

Практические последствия выходят далеко за рамки лаборатории. Дисплеи, накапливающие окружающий свет в режиме ожидания, или осветительные системы, рекуперирующие энергию в неактивном состоянии, становятся всё более реальными, когда одна архитектура устройства выполняет обе функции без существенных компромиссов. Авторы отмечают, что среди всех фотовольтаических материалов лишь второй раз поликристаллическое устройство превысило одновременно 26% КПД в солнечной энергетике и 30% КПД в светодиодном режиме — первым был арсенид галлия, который значительно дороже и сложнее в производстве в промышленных масштабах.