Perovskity dlouho slibovaly revoluci v energetice i elektronice, ale trápila je nestabilita. Nový průlom vědců z Cambridge přináší způsob, jak je růst s atomární přesností – což otevírá cestu k účinnějším solárním panelům, LEDkám i kvantovým technologiím.
Perovskity – krystalické materiály schopné velmi účinně pohlcovat a vyzařovat světlo – byly po mnoho let „velkým příslibem“ vývoje solární energie, optoelektroniky a transparentních polovodičů. Jsou levné, snadno se vyrábějí a mimořádně účinně přeměňují světlo na energii. Na papíře jsou přirozenou náhradou za křemík… ale vyskytl se jeden „malý“ problém, který vědce už léta frustruje. Tato překážka by mohla brzy zmizet díky průlomu, který by v případě komerčního využití (ve velkém měřítku) mohl zcela změnit způsob výroby solárních panelů, LED diod, laserů a dokonce i kvantových technologií.
Nová metoda přichází změnit pravidla hry
Klíč k průlomu spočívá ve způsobu tvorby perovskitů. Dosud používané techniky vytvářely nepravidelné a nekontrolovatelné struktury, což je činilo nestabilními a značně omezovalo jejich praktické využití. Tým z Cambridgeské univerzity přišel s atraktivním řešením: růst perovskitových vrstev stejným způsobem, jakým se vyrábějí moderní polovodiče, s použitím páry namísto kapalných roztoků.
Tato technika umožnila něco, co se zdálo jako science fiction: vyrovnávání atomů vrstvu po vrstvě, čímž vznikl jakýsi energetický sendvič, kde má každá vrstva velmi přesnou funkci. Když se elektrony a díry pohybují v takto uspořádaných strukturách, účinnost zařízení se výrazně zvyšuje.
Perovskity sestavené atom po atomu
V tomto chaosu perovskity opouštějí nepředvídatelnost tradičního zpracování. Růst z páry umožnil kontrolovat tloušťku jednotlivých vrstev až na zlomky atomárních úrovní a kombinovat dvourozměrné a trojrozměrné perovskity s nebývalou přesností.
Tento proces, známý jako epitaxní růst, nejenže vytváří stabilnější materiály, ale také umožňuje pozorovat, jak se mění světelná emise v závislosti na počtu vrstev. Jedná se doslova o stavbu polovodiče od nuly, přičemž každá úroveň je navržena tak, jako by se jednalo o atomární kostku Lega.
Nejzajímavější je, že pouhým nastavením podmínek růstu mohou rozhodnout, zda elektrony a díry zůstanou pohromadě (ideální pro LED diody a lasery), nebo se oddělí, aby se minimalizovaly energetické ztráty (nezbytné pro solární panely).
Důsledky pro budoucnost energetiky a elektroniky
Díky této technice dosahují perovskity dosud nemyslitelné úrovně kontroly: tým byl schopen měnit rozdíl energií mezi vrstvami o více než půl elektronvoltu a prodloužit životnost nosičů náboje na 10 mikrosekund, což je mnohem více než obvykle.
Pokud se tuto metodu podaří rozšířit do průmyslového měřítka, což právě zpracování par umožňuje, mohli bychom se dočkat jedné z nejdůležitějších technologických proměn příštího desetiletí.
Tento průlom by nám umožnil vytvořit účinnější solární panely, výkonnější optoelektronická zařízení, ještě tenčí polovodiče a snížit náklady na elektroniku obecně. To vše díky materiálu, který již léta slibuje mnohé, ale nyní se zdá, že je konečně připraven to splnit.
Perovskity jsou předmětem studia již několik desetiletí, protože mají potenciál přinést revoluci v oblasti solární energie. Ve srovnání s křemíkem, který se při výrobě solárních článků používá nejčastěji, jsou perovskity mnohem univerzálnější a cenově výhodnější. Jejich schopnost absorbovat široké spektrum slunečního světla a účinně ho přeměňovat na elektřinu z nich činí ideální kandidáty pro vývoj pokročilých solárních technologií.
Kromě toho mají perovskity i jiné aplikace než jen solární energii. V oblasti optoelektroniky lze tyto materiály použít k výrobě účinnějších LED diod a laserů. Jejich využití se zkoumá také v oblasti kvantových technologií, kde by mohly hrát klíčovou roli při vývoji kvantových počítačů a pokročilých senzorů.
Epitaxní růst perovskitů nejenže zlepšuje jejich stabilitu a účinnost, ale také otevírá dveře novým možnostem v konstrukci elektronických zařízení. Díky možnosti přesné kontroly nad atomární strukturou perovskitů mohou výzkumníci vytvářet zařízení na míru pro konkrétní aplikace, což by mohlo vést k významnému pokroku v miniaturizaci elektroniky a vývoji výkonnějších zařízení.
Průlom v oblasti růstu perovskitů představuje důležitý krok směrem k udržitelnější a technologicky vyspělejší budoucnosti. Ačkoli je třeba na uvedení této technologie na trh ještě pracovat, slibné výsledky naznačují, že perovskity by mohly hrát klíčovou roli v příští generaci elektronických a energetických zařízení.