В понедельник, 14 ноября, стали известны победители Всероссийского инженерного конкурса для студентов и аспирантов в области нанотехнологий («ВИК.Нано-2016»). Мы поговорили с одним из обладателей главной премии, Михаилом Омельяновичем, аспирантом университетов ИТМО (Санкт-Петербург) и Аалто (Финляндия). Омельянович решил предложенную на конкурс задачу по применению технологии лазерного напыления для производства солнечных батарей на основе перовскитов.

Солнечные батареи — это сложные приборы, состоящие, как правило, из нескольких слоев полупроводников. В простейшем случае это два слоя кремния p-типа и n-типа (отличаются добавками и электронным строением). Под действием света в батарее возникает пара из электрона и дырки. Две этих частицы стремятся взаимно уничтожиться (или рекомбинировать,как говорят физики), но из-за особенностей структуры полупроводников они «разбегаются»в разные слои. Если поместить на эти слои токосъемные контакты (например,серебряные провода) и соединить их через обычную лампочку, то электроны«побегут» рекомбинировать с дырками и создадут электрический ток. Лампочка загорится.

Можно по разному классифицировать солнечные батареи.Например, по материалу, из которого они созданы. Каждая солнечная батарея оптимизирована для работы с определенным участком солнечного спектра — это зависит от электронных свойств материала. От материала же зависит сложность создания устройств. Самый распространенный тип солнечных батарей —кремниевые. Они могут быть построены на кристаллическом или аморфном кремнии,последние могут быть гибкими.  Гораздо реже встречаются батареи на арсениде галлия (их многослойные аналоги используют в космических аппаратах), халькогенидах меди и органических красителях.Последние годы очень активно развиваются перовскитные солнечные элементы — в ихоснове лежат смешанные органическо-неорганические соли, чаще всего иодид свинца-метиламмония. За период с 2009 по 2016 год их эффективность возрослас 3,8 до 22 процентов, сравнявшись с лучшими кремниевыми образцами.

N+1: Первый мой вопрос посвящен вашему проекту, который связан с перовскитными солнечными батареями. Это те самые популярные неорганическо-органические солнечные батареи,или что-то другое?

Михаил Омельянович:

Да, это, безусловно, та самая металлорганика. Правда, я не занимаюсь синтезом самих батарей. Мое предложение относится к печати на них токосъемных контактов и других легирующих элементов с помощью технологии PLD. Такая печать сейчас очень требуется на рынке не только самих перовскитных устройств, но и для обычных кремниевых солнечных батарей.

В качестве примера можно взять солнечные батареи с задним контактом…

А что это такое?

Верхний сетчатый контакт на обычных солнечных батареях закрывает часть поверхности и отражает падающий свет. Это снижает итоговую эффективность фотоэлемента.Появилось предложение (не мое, это известный американский патент), когда все контакты — и для p-, идля n-слоя находятсяс зади.

С трудом представляю,как это возможно. Обычно есть один p-слой сверху, под ним n-слой снизу. Как можно подключиться к p-слою снизу,если он сверху?

А его нет сверху. Смысл в том, что для электронов и дырок нет разницы, куда бежать — наверх или вниз. Им главное бежать в сторону областей с большей концентрацией соответствующих носителей зарядов — p- и n-областей. А сделать эти два типа полупроводников мы можем и в одной области, т.е. с одной стороны. Знакомы с тем, как устроены транзисторы?

В целом, да.

Там же все контакты с одной стороны.

И правда. Есть объемный фрагмент полупроводника одного типа, в нем пара дорожек полупроводника другого типа.

Да, и тут абсолютно та же самая схема. За исключением того,что в солнечных батареях не нужно сверхвысокое разрешение. Если в транзисторах разрешение— нанометры или полмикрона, то в солнечных батареях это десятки и сотни микрон.Другое дело, что в разных материалах разная длина пробега электронов. Благодаря этому мыможем делать решетку более широкой.

Понятно. А как вы пришли к теме своего проекта?

Все мое исследование построено на том, что мы пытаемся создать полноценную перовскитную солнечную батарею с задним контактом. Нами она еще не сделана — есть зарубежные работы, в которых ученые достигли успеха в ее создании,я же пытаюсь повторить это самостоятельно. Как всегда в науке, кто-то всегда уже что-то сделал. Другой вопрос, что нам надо научиться все это повторять.

А в чем проблема перовскитов?Как я понимаю, задний контакт на обычных батареях уже научились делать.

Начнем с того, что про перовскит говорят — «его очень легко наносить» [этим и объясняется интерес к перовскитным солнечным батареям — N+1]. Как правило, для этого используется spin-coating — «нанесение из раствора на вращающуюся подложку». Если речь идет не о чистой комнате, — а обычно у химиков, работающих с перовскитами, довольно «грязно» в лаборатории, — то в перовскитных слоях возникают волны. Впоследствии, после нанесения плоских металлических контактов, эти волны приводят к короткому замыканию в фотоэлементе.

Короткое замыкание ведет к очень простому эффекту: мы не можем масштабировать такую солнечную батарею. Мы не можем сделать так, чтобы этот фотоэлемент увеличился от чипа два на два сантиметра до оконного стекла. И даже если мы будем наносить перовскит другим методом — печатью или с помощью испарения — при кристаллизации, из-за плохого перемешивания раствора-источника,могут возникать области с порами.

Нам нужно сделать так, чтобы эти поры и волны не влияли на эффективность батареи, когда мы ее увеличиваем. Для этого можно перенести все токосъемные контакты на заднюю поверхность. При этом в разы увеличивается эффективная площадь фотоэлемента.

Конечно, можно нанести все контакты и легирующие слои фотолитографией. Но гораздо проще использовать PLD — импульсное лазерное осаждение.  

PLD. Adam Andersen Læssøe / Wikimedia Commons

Что такое **PLD? Почему именно этот метод?

В приборе для импульсного лазерного осаждения есть поворачивающаяся пластинка, на которой крепятся разные таргеты [мишени] из материалов, которые будут распыляться. Импульс лазера бьет по мишени, из нее испаряются вещества, которые формируют кристаллический слой на подложке. Большой плюс PLD в том, что эта кристаллическая структура практически идентична той, что была у чистого материала. Альтернативные методики осаждения слоев, например осаждение путем разложения газов, дает примеси, с которыми приходится бороться.

Получается, метод PLD проще остальных — во-первых, а во-вторых, у него есть еще один минус, который в моей работе оказывается плюсом: в вакууме у него очень узкий факел. Иными словами, у PLD малый геометрический размер зоны напыления.

Проблема узкого факела помогает в печати контактов илегирующей сетки для солнечной батареи на основе металл-органических перовскитов.Можно сказать, узкий факел идеально подходит для наших целей.

Получается, узкийфакел испаряющихся с мишени веществ позволяет получать узкие же контакты?

Да.  

А какие есть альтернативы лазерному осаждению?

Правильно будет сравнивать PLD с методами фотолитографии и спаттеринга. Если мы будем осаждать материалы поверх перовскитов, то фотолитография здесь абсолютно не работает. Нам нужно будет в какой-то момент растворять фоторезист и вместе с ним растворится перовскит.

Поэтому в технологии все привыкли, что в перовскитах используется спаттеринг.

А что это такое?

В спаттеринге зажигается плазма. Она выбивает электронами частицы материала из некоторой мишени. Эти частицы затем переносятся на подложку за счет своей энергии или просто за счет гравитации, падая с мишени.Считается, что этот метод не сильно повреждает подложку, он наносит все на вся.Это значит, что поверхность подложки будет полностью покрыта. Мы можем сделать жесткую маску для нанесения контактов, что в принципе сейчас делается для перовскитов, но у этой маски есть ограничения по размерам. Кроме того, у нее есть ограничения по количеству использований.

Понятно.

Я предложил сделать установку для PLD, в которой либо подложка, либо лазер будут двигаться. Соответственно, мы будем рисовать по перовскиту. Если так, то мы уходим от маски и от всей химии, которая нам нужна, и приходим к более аккуратному способу нанесения.

А сейчас над чем работает ваш научный коллектив?

Лично я занимаюсь тем, что с помощью других, менее эффективных способов — фотолитографии и спаттеринга — пытаюсь сделать концепт батареи. Как только я выясню, что это работает именно так, можно будет соединять этот концепт с PLD.

Хорошо. Пара вопросов про конкурс. Чем он вас заинтересовал?

Я сейчас нахожусь на последней стадии аспирантуры. И, в банальном приближении, я ищу работу. В Университете Аалто есть правило,что как только ты заканчиваешь обучение, ты должен куда-то уехать поработать. Я решил посмотреть и попытаться найти работу в России. В описании конкурса было прямым текстом написано, что его задача — познакомит опытных инженеров с производствами и найти контакты.

Кроме вас там участвовало еще около 50 проектов. Были ли еще какие-то идеи, которые вам понравились и запомнились?

К этому вопросу я даже подготовился. Мне очень понравился проект Степана Конакова по микрореакторному методу локального осаждения тонких пленок. Это практически то же самое, о чем говорил я. Только работа Степана посвящена не солнечным батареям, а более широкому классу применений.

В чем он заключается?

Это метод химического осаждения из газовой фазы, который мы обсуждали. Конаков берет этот метод, но осаждает пленку в строго определенном месте. Для того чтобы построить транзистор, обычно мы помещаем подложку в одну печку, наносим слой n-полупроводника. После этого мы эту подложку вытаскиваем, помещаем в другую печку и осаждаем слой p-типа. Он же предлагает взять подложку, поместить ее в печку, и поскольку дальше реактор будет двигаться, только в одном месте будет осаждаться пленка. Для осаждения на перовскитные солнечные батареи такой метод бы не подошел — требует больших температур подложки. 

Для людей, которые работают в науке, такая технология очень интересна. Обычно приходится заказывать маски, делать литографию. Вся чистая комната сделана именно для литографии, для максимально гладкого нанесения фоторезиста. Но если мы возьмем подложку и напечатаем на нее что-то без фоторезиста, без остальных процессов, которые надо повторять по десять раз, то любой ученый сейчас встанет в очередь за такой технологией.

Еще я бы отметил Татьяну Смолярову. Ее проект — «Создание биомедицинских нанодисков методом перьевой нанолитографии (DPN)», он может применяться в биомедицине. Вся идея и реализация проекта у нее продуманы и сделаны, это реально нанотехнологии, но, к сожалению, так как это биомедицина, там стоит большой барьер под названием сертификация.

Ее проект посвящен направленной борьбе с раковыми клетками. Проект крутой, но его реализация в России стоит под большим вопросом.

Беседовал: Владимир Королёв