перовскитный солнечный элемент

Тонкий срез эвкалипта лежит под объективом микроскопа, и белый свет, пройдя через два поляризационных фильтра, превращает древесину в мозаику из пурпурных, жёлтых и голубых пятен. Эти цвета не случайны: они, как буквы на карте, показывают, куда направлены невидимые глазу нити целлюлозы внутри клеточных стенок.

Когда фотон поглощается в полупроводнике солнечной батареи, рождается пара носителей заряда — электрон и дырка, обладающие избыточной кинетической энергией.

В тонкой плёнке перовскита — перспективного материала для дешёвых солнечных батарей — свет рождает пары зарядов: отрицательно заряженный электрон и положительно заряженную «дырку» (вакансию электрона в кристаллической решётке, ведущую себя как частица). Им нужно добраться до электродов и дать ток, но по пути многие исчезают.

Свет в обычной комнате исчезает мгновенно, стоит выключить лампу. В крошечной полости из нитрида кремния фотон — квант света — может метаться между стенками 80 000 раз, прежде чем потеряется. Это как если бы мяч, брошенный в комнату, отскакивал от стен почти без потери скорости.

Тёмная материя не испускает и не отражает свет, но её присутствие выдаёт гравитационное воздействие на видимое вещество. Чтобы зарегистрировать хотя бы одну частицу, физики строят детекторы, похожие на очень тихие комнаты: внутри лежат кристаллы, которые вспыхивают, когда в них попадает частица. Но вспышка слабая, и если свет теряется по дороге, сигнал можно не заметить.

Перовскитная солнечная батарея напоминает молодую спортсменку: на старте демонстрирует выдающиеся показатели, но быстро утомляется. Всего за восемь часов её эффективность заметно снижается, хотя видимых дефектов — трещин, пыли, отслоений — не наблюдается.

В водном растворе плавают микроскопические шарики — коллоидные частицы. Каждый шарик покрыт длинными полимерными нитями, образующими подобие щётки, и несёт электрический заряд. При определённых температуре и составе раствора такие частицы самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные структуры — коллоидные кристаллы.

В каждом аккумуляторе или суперконденсаторе есть незаметный, но важный игрок — полимерный клей. Он скрепляет частицы активного вещества и помогает им держаться на токосъёмнике. Раньше его считали просто инертной массой: есть и есть, лишь бы не мешал. Но в этой работе клей вышел на первый план. Стадион, где зрители-ионы должны занять места на трибунах-электродах.

Солнечный свет — как непрерывный поток мячей, летящих в стену. Белки-антенны в фотосинтезирующих бактериях ловят эти «мячи» — фотоны, но иногда удар слишком силён, и в «стене» — молекуле хлорофилла — возникает опасное возбуждённое состояние, триплетное…

Сто сорок парсек — расстояние, которое свет преодолевает за четыре с половиной столетия — отделяют нас от молекулярного облака Тельца. В его недрах прячутся тёмные сгущения: дозвёздные ядра, где газ и пыль медленно сжимаются под собственной тяжестью. Каждая пылинка здесь — микроскопическое ядро конденсации, одетое в мантию из водяного льда.

При сильном морозе — минус 268 градусов — кристаллическая плёнка перовскита начинает по-разному пропускать свет в зависимости от его поляризации. Луч как будто раздваивается: одна часть идёт чуть быстрее, другая чуть медленнее. Разница в энергии между ними — всего 45 тысячных электрон-вольта, но этого хватает, чтобы чётко разделить два оптических канала.

Солнце — это гигантский котёл, где свет пробивается сквозь толщу раскалённого вещества. На пути к поверхности фотоны (частицы света) то и дело натыкаются на атомы и теряют энергию. Насколько сильно вещество задерживает свет — это «непрозрачность», и от неё зависит, как быстро тепло выбирается наружу.

Гибридные перовскиты — восходящие звёзды фотовольтаики: их эффективность растёт так быстро, что кажется, будто мы на пороге солнечной революции. Но эти материалы, словно искусные мозаики из атомов, чрезвычайно уязвимы: влага, тепло и свет быстро превращают их в пыль.

Инженеры разрабатывают сплав для солнечных концентраторов, вводя в матрицу твёрдые дисперсные частицы — упрочняющую фазу, подобную изюму в тесте, которая позволяет материалу сохранять структурную стабильность при экстремальных температурах. Если эти включения оказываются чрезмерно крупными, в материале возникают трещины.

Генеративные нейросети, создающие изображения, обычно полагаются на цифровую случайность. Но группа исследователей построила систему, где случайность рождается не в коде, а в крошечной оптической полости с органическим красителем.

Перовскитные кристаллы — это класс материалов с уникальной кристаллической решёткой, способных преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью, сопоставимой с традиционным кремнием, но при значительно меньшей стоимости производства.

Два белых листа лежат на солнце — один шершавый, другой гладкий. Какой нагреется меньше? Шершавый рассеивает свет сильнее, и кажется, что он останется прохладнее. Но если покрытие состоит из множества прозрачных стеклянных шариков, логика меняется. Свет блуждает в нём, как в густом тумане, и в какой-то момент перестаёт замечать отдельные капли.

Обычный лазер похож на оркестр, где музыканты должны разогреться, прежде чем заиграть в унисон. Сначала нужно накачать энергией достаточно атомов, чтобы они «перевернулись» и были готовы излучать свет — это называют инверсией населённостей. Только тогда вспыхивает луч. Поляритонный лазер играет по другим правилам: его «музыканты» — смесь света и вещества — вступают в дело почти без подготовки.

В холодном облаке газа и пыли, которое астрономы называют ТМС-1, недавно нашли два вещества с серой: одно пахнет как горький миндаль, другое — как протухшие яйца. Но серы в таком облаке меньше, чем должно быть. Куда она девается? Похоже, она прячется в крошечных ледяных карманах на поверхности пылинок. Лёд в космосе не похож на каток. Он рыхлый, как снег, и весь в щелях и впадинах.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Солнечная батарея обычно ловит свет одной стороной, а сзади у неё сплошная металлическая подложка. Здесь заднюю стенку сделали из прозрачного проводящего материала — оксида индия с оловом. Свет, который батарея не поглотила, проходит насквозь. Такую батарею можно поставить второй сверху: первая заберёт синюю часть спектра, а нижняя — красную, как два сита, поставленные друг за другом.

Кристалл титаната бария напоминает толпу, где каждый человек держит в руках стрелку-указатель. В обычном состоянии стрелки смотрят в разные стороны, но если приложить электрическое поле, все разом поворачиваются в одну сторону.

Солнечная панель похожа на слоёный пирог: кремниевая основа, а сверху — тонкие металлические дорожки, по которым электричество уходит к проводам. Долгое время эти дорожки делали из серебра — оно отлично проводит ток и не портит кремний. Но серебро дорогое, поэтому инженеры ищут замену.

Солнечная батарея — как сердце: если заставить её биться в неправильном ритме, она быстро устаёт. Обычно элементы проверяют, подавая обратное напряжение, но в реальной жизни тень от листа или птицы заставляет соседние ячейки пропускать через себя чужой ток. Авторы новой работы впервые детально изучили, что происходит, когда через перовскитный элемент гонят постоянный обратный ток.

Экспериментальный скрининг органических соединений для солнечных элементов напоминает дегустацию соуса в ресторане, где повара сменяются каждые пять минут: неконтролируемые помехи — влажность, чистота подложки, метод нанесения — маскируют истинный эффект.

Раскалённая печь в цеху или горячий выхлоп турбины — это не просто жар, а свет, который человеческий глаз не видит. Обычные солнечные батареи ловят видимый свет, а здесь нужен приёмник для невидимого теплового излучения.

Серебряно-ниобиевый оксид AgNbO₃ — это слоёный пирог из атомов серебра, ниобия и кислорода. При комнатной температуре он ведёт себя как обычный диэлектрик, но если его охладить, атомы начинают смещаться, и кристалл обретает электрическую поляризацию — как стрелка компаса, только вместо севера указывает направление внутреннего электрического поля.

Обычная химиотерапия бьёт по всему организму, как ковровая бомбардировка: страдают и раковые, и здоровые клетки. Учёные ищут более точное оружие — молекулы, которые светятся, когда встраиваются в ДНК раковой клетки, и тем самым выдают её местоположение. Такие светящиеся зонды могли бы помочь врачам находить опухоль на ранней стадии и даже уничтожать её точечно, не задевая соседние ткани.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

На дне лунных кратеров, куда никогда не заглядывает Солнце, царит вечный холод — около минус 240 градусов по Цельсию. В этих ледяных карманах, которые называют постоянно затенёнными областями, планируют установить зеркальный резонатор из монолитного кремния. Этот прибор будет пассивно удерживать свет, заставляя лазер «тикать» с невероятной точностью.

Луч фонарика в тумане расплывается уже через пару метров. Световые частицы разбегаются в стороны, как толпа на площади. Но иногда они могут идти строем — не расходясь, не смешиваясь. Именно такой марш удалось получить в крошечном кристалле перовскита. Кристалл поместили между двумя зеркалами.

Солнце палит, а гипс на руке остаётся прохладным. Секрет — в тонком покрытии из переработанных костей животных. Обычные охлаждающие поверхности часто жёсткие и хрупкие: их не наклеишь на изогнутую повязку. Здесь взяли коммерческий стекловолоконный гипс, который быстро затвердевает, и добавили два слоя полимеров. Внутри — керамические частицы кальция пирофосфата, полученные из костных отходов.

Научные статьи выходят быстрее, чем люди успевают их читать и систематизировать. В области перовскитных солнечных элементов главная база данных застыла в 2021 году, хотя исследования идут полным ходом. Теперь на помощь пришла PERLA — автономная живая база, которая сама следит за потоком публикаций.

Кубик из танталата калия ведёт себя как обычный диэлектрик: электрическое поле он не хранит. Но стоит вырастить этот материал тонкой плёнкой на подложке из другого кристалла, как всё меняется. Кристаллические решётки плёнки и подложки не совпадают по размеру, и плёнка вынуждена подстроиться — она сжимается на 2,1 процента.

Солнечная батарея похожа на слоёный пирог: тонкие плёнки разных материалов уложены друг на друга, и свет, попадая внутрь, выбивает электрический ток. Один из перспективных материалов для таких плёнок — соединение цезия, свинца и йода. До сих пор считалось, что внутри него нет встроенных электрических полей, а значит, ток течёт не так свободно, как хотелось бы.

Кристаллы перовскита — это строительные блоки, в которых атомы металла и галогенов складываются в аккуратную решётку. Поменяешь один галоген на другой — и кристалл начнёт светиться другим цветом. Но есть загвоздка: хлор и йод в одной решётке не любят соседствовать, и в крупных кристаллах смесь распадается на отдельные зоны, как масло и вода в стакане.

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.