Znajdź zawartość

Współpraca naukowców z Politechniki Federalnej w Zurychu i Federalnego Instytutu Badań i Technologii Materiałów (Empa) zaowocowała stworzeniem nowej matrycy światłoczułej wykonanej z perowskitów. Zapewnią ona lepszą reprodukcję kolorów i mniej błędów obrazu przy gorszych warunkach oświetleniowych. Jednocześnie pozwala na reprodukcję obrazów w znacznie wyższej rozdzielczości niż matryce z krzemu. Perowskitowa matryca może być szczególnie przydatna w obrazowaniu medycznym i automatycznym monitoringu. Matryce światłoczułe znajdziemy obecnie w każdym smartfonie i cyfrowym aparacie fotograficznym. Rozpoznają kolory podobnie, jak nasze oczy. Odbierają kolory czerwony, zielony i niebieski. Czujniki takie wykonane są z krzemu, który absorbuje całe spektrum światła widzialnego. Żeby spowodować, by odbierały konkretne długości fali, stosuje się filtry. Piksele odpowiedzialne za odbieranie koloru czerwonego korzystają z filtrów, które nie przepuszczają niebieskiego i zielonego, itp. Zatem każdy piksel krzemowej matrycy odbiera około 1/3 zakresu światła widzialnego. Uczeni z ETH Zurich i Empa, pracujący pod kierunkiem Maksyma Kovalenko, przez niemal dekadę pracowali nad matrycami korzystającymi z perowskitów. Właśnie poinformowali na łamach Nature, że ich matryca działa. Nowa matrycę stworzono z perowskitu ołowiowo-halogenkowego. W przeciwieństwie do krzemu jest on bardzo łatwy w przetwarzaniu, a jego właściwości można precyzyjnie dobierać, zmieniając skład chemiczny. Jeśli zawiera nieco więcej jonów jodu, absorbuje światło czerwone, gdy dodamy bromu materiał absorbuje kolor zielony, a chlor odpowiada za kolor niebieski. Nie trzeba przy tym stosować żadnych filtrów. Co więcej, poszczególne warstwy są przezroczyste dla kolorów, które nie są dla nich przeznaczone. A to oznacza, że piksele odpowiedzialne za czerwony, zielony i niebieski mogą znajdować się jeden na drugim. W krzemowych matrycach muszą znajdować się obok siebie. Dzięki możliwości układania warstw pikseli kolorów na sobie perowskitowy czujnik może, co najmniej w teorii, przechwycić trzykrotnie więcej światła niż matryca krzemowa i zapewnia trzykrotnie większa rozdzielczość na tej samej powierzchni. To zresztą zespół Kovalenki udowodnił kilka lat temu, prezentując w laboratorium działające duże piksele o wymiarach sięgających milimetra. Teraz zaś, po raz pierwszy, uczeni zbudowali działające perowskitowe matryce światłoczułe. Rozwinęliśmy technologię z dużego urządzenia demonstracyjnego, do matrycy, której rozmiary pozwalają zastosować ją w praktyce. Pierwszy tranzystor był wielkim kawałkiem germanu z licznymi połączeniami. Teraz, 60 lat później, rozmiary tranzystorów liczymy w nanometrach, mówi współautor badań, Sergii Yakunin. Perowskitowe matryce znajdują się na wczesnym etapie rozwoju. Jednak dwa zaprezentowane prototypy dowodzą, że można je miniaturyzować za pomocą powszechnie używanych metod technologii cienkowarstwowej. Twórcy matryc przeprowadzili liczne eksperymenty, w czasie których wykazali, że są one bardziej czułe na światło, lepiej oddają kolory i zapewniają wyższą rozdzielczość niż matryce krzemowe. Sam fakt, że każdy z pikseli może przechwytywać pełne spektrum światła eliminuje niektóre zakłócenia obrazu, takie jak mora. Perowskitowe matryce, dzięki możliwości bardzo precyzyjnego dobierania zakresu fali światła, którą pochłaniają, mogą szczególnie przydać się w obrazowaniu medycznym. Dzięki nim można bowiem zdefiniować bardzo wiele zakresów kolorów. W przypadku krzemu dla każdego koloru trzeba zastosować osobny filtr, co jest trudne i niepraktyczne nawet w przypadku niewielu barw. Twórcy nowego czujnika skupiają się teraz na zmniejszeniu rozmiarów pojedynczego piksela. Obecnie ich piksele mają od 0,5 do 1 mmm długości. W komercyjnych matrycach ich wielkości są liczone w mikrometrach. Perowskity powinny pozwolić na stworzenie piksela mniejszego nawet niż piksele na krzemie, wyjaśnia Yakunin. Trzeba też dostosować całą elektronikę, za pomocą której połączona jest matryca. Obecnie wszelkie połączenia i techniki przetwarzania obrazu są zoptymalizowane pod kątem współpracy z krzemem. Szwajcarscy badacze są przekonani, że poradzą sobie z tymi wyzwaniami. Źródło: Vertically stacked monolithic perovskite colour photodetectors, https://www.nature.com/articles/s41586-025-09062-3 « powrót do artykułu

Krzem, który jest standardowo wykorzystywany do wytwarzania ogniw słonecznych, jest drogi w pozyskiwaniu i oczyszczaniu. Alternatywną dla niego mogą być znacznie tańsze perowskity, a budowane z nich ogniwa słoneczne już teraz są bardziej wydajne od tych krzemowych. Naukowcy z University of Rochester poinformowali, że ich wydajność można zwiększyć ponad dwukrotnie. Grupa profesora Chunleia Guo zauważyła, że jeśli w ogniwach perowskitowych w roli substratu użyjemy metalu lub naprzemiennie ułożonych warstw metalu i dielektryka – zamiast standardowo używanego szkła – to wydajność takiego ogniwa wzrośnie aż o 250%. To olbrzymi postęp, gdyż już w tej chwili perowskitowe ogniwa słoneczne charakteryzują się wydajnością przekraczającą 30%. Nikt dotychczas nie zaobserwował takiego zjawiska. Gdy pod perowskit wsadziliśmy metal nagle doszło do gwałtownej zmiany interakcji elektronów w materiale. Wykorzystaliśmy więc metodę fizyczną do wywołania tej interakcji, mówi Guo. Kawałek metalu może tutaj wykonać tyle roboty, co złożone prace z dziedziny inżynierii chemicznej, cieszy się uczony. Aby ogniwa słoneczne działały, fotony ze Słońca muszą wzbudzić elektrony w materiale ogniwa fotowoltaicznego, które w wyniku tego opuszczą swoje dotychczasowe miejsca i wygenerują prąd. Idealnie byłoby, gdyby do budowy ogniw użyć materiału, w którym wzbudzone elektrony są bardzo słabo wciągane z powrotem na swoje miejsca. Zespół Guo wykazał, że w perowskitach takiej rekombinacji, powrotu wzbudzonych elektronów na miejsce, można uniknąć łącząc perowskit z metalem lub metamateriałem zbudowanym z naprzemiennych warstw srebra i tlenku aluminium. Wówczas, dzięki wielu zdumiewającym zjawiskom fizycznym ma miejsce znaczna redukcja liczby rekombinacji. Jak wyjaśnia Guo, warstwa metalu działa jak lustro tworzące odwrócone obrazy par dziura-elektron, zmniejszając prawdopodobieństwo rekombinacji elektronów z dziurami. Za pomocą prostego miernika zaobserwowano, że wydajność perowskitowego ogniwa zwiększyła się o 250%. Perowskity to niezwykle obiecująca grupa materiałów pod względem produkcji energii elektrycznej ze Słońca. Mają jednak poważną wadę. Ulegają szybkiej degradacji pod wpływem wysokiej temperatury i ich wydajność drastycznie spada. Jednak i na tym polu widoczny jest wyraźny postęp. Gdy rozpoczynano badania perowskitów pod kątem ich wykorzystania do pozyskiwania energii elektrycznej, perowskitowe ogniwa pracowały od kilku minut do kilku godzin. W ubiegłym roku w US National Renewable Energy Laboratory powstało perowskitowe ogniwo fotowoltaiczne, które po 2400 godzinach nieprzerwanej pracy w temperaturze 55 stopni Celsjusza zachowało 87% swojej pierwotnej sprawności. Czas pracy ogniw perowskitowych może już teraz sięgać wielu miesięcy. A ich wydajność właśnie zwiększono o 250%. Solar Energy Technologies Office, działające w ramach amerykańskiego Departamentu Energii, stawia sobie za cel opracowanie perowskitowego ogniwa, które będzie działało przez co najmniej 20, a idealnie ponad 30 lat. « powrót do artykułu