Ученые ЛЭТИ получили новый материал, перспективный для применения в солнечной энергетике

Ученые ЛЭТИ получили новый материал, перспективный для применения в солнечной энергетике

Ученые впервые синтезировали при относительно низких температурах сложный оксид со структурой минерала пирохлора: в этом материале в зависимости от параметров синтеза можно значительно изменить концентрацию входящих в него химических элементов для достижения наиболее эффективных полупроводниковых характеристик.

26.07.2022 643

Сегодня элементы для солнечной энергетики (фотовольтаики) создаются на основе кремния. Однако современные кремниевые солнечные батареи приближаются к пределу своих возможностей по преобразованию энергии (в частности, всё более трудоёмким и ресурсозатратным становится процесс получения кремния ещё бóльшей чистоты), поэтому научные группы по всему миру ведут поиски новых материалов.

«Мы синтезировали полупроводниковый материал со структурой минерала пирохлора, формирующийся в тройной системе оксидов висмута (III), железа (III) и вольфрама (VI) в гидротермальных условиях. Полученные соединения являются одними из потенциальных материалов для создания нового класса элементов для фотовольтаики. В нашей работе для получения пирохлора использовался гидротермальный синтез, который относится к методам «мягкой» химии и позволяет синтезировать сложные оксидные соединения, обычно неустойчивые при высоких температурах. Целью исследования являлось определение влияния параметров синтеза на функциональные свойства материала», – рассказывает ассистент кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Макарий Ломакин.

Соединения со структурой пирохлора отличаются от ряда других веществ, используемых в фотовольтаике, например, таких как перовскиты, своими структурными особенностями. Главной является возможность варьировать состав, т.е. изменять в некоторых конечных пределах концентрацию химических элементов, сохраняя при этом кристаллографическую структуру (симметрию в расположении атомов друг относительно друга). 

Таким образом, по сравнению с другими сложными оксидами, обладающими полупроводниковыми свойствами, пирохлор является потенциально более вариативным материалом для поиска новых полезных свойств для нужд фотовольтаики, поскольку состав соединения будет влиять на свойства материала на его основе.

Для получения пирохлора ученые ЛЭТИ использовали метод гидротермального синтеза, который можно условно разделить на два этапа. На первом этапе производилось соосаждение реагирующих компонентов из растворов их солей с образованием суспензии аморфного прекурсора, которая впоследствии подвергалась гидротермальной обработке (второй этап) при 200°С в течение 24 часов.

Особенность гидротермального метода заключается в том, что нагрев реакционной системы проводят в замкнутом объёме, т.е. при постоянно возрастающем давлении в системе, что не позволяет жидкости закипеть. В качестве ёмкости (реактора), в которой производится гидротермальная обработка, используют так называемые тефлоновые вкладыши. В результате гидротермальной обработки образуется продукт в виде суспензии кристаллического порошка.

Исследователи изучили его химический состав, кристаллическую структуру, размерные и морфологические параметры частиц-агрегатов и кристаллитов, а также оптические свойства, в частности, определили значение запрещённой зоны полученных материалов. Кроме того, было определено, как параметры гидротермального синтеза влияют на состав, структуру, размерные параметры и, как итог, оптические свойства полученных материалов. Результаты работы опубликованы в научном журнале «Journal of Alloys and Compounds».

«Мы установили тенденцию, что при увеличении количества атомов железа и висмута в структуре пирохлора, а также при увеличении размера частиц-агрегатов формирующегося порошка уменьшается значение ширины запрещенной зоны материала. Данный факт важен с точки зрения анализа перспектив применения полученного материала в качестве поглощающего и проводящего элемента в неорганических солнечных батареях, устройствах электронной техники и фотокатализе, так как указывает на возможность "настраивать" ширину запрещенной зоны, варьируя состав соединения и размер частиц-агрегатов».

Ассистент кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Макарий Ломакин

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№20-63-47016). В проекте приняли участие ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФТИ им. А.Ф. Иоффе, СПбГТИ (ТУ) и ИБХФ РАН.