Корейские учёные добились рекордной эффективности водородных фотокатодов на экологичных квантовых точках

Квантовые точки, наноразмерные полупроводниковые кристаллы, считаются перспективным материалом для дисплеев, датчиков и производства водорода. Однако их коммерциализация сдерживается тем, что наиболее эффективные из них содержат токсичные тяжёлые металлы. Разработка безопасных аналогов на основе элементов I—III—VI групп сталкивается с проблемой низкой эффективности из-за высокой плотности дефектов в их кристаллической решетке, что ухудшает оптоэлектронные свойства. Учёные нашли простое решение, точно регулируя соотношение прекурсоров для контроля над концентрацией этих дефектов.

В ходе экспериментов с квантовыми точками CuIn(S₁₋ₓSeₓ)₂ выяснилось, что при смешивании серы и селена в равных пропорциях (1:1) искажения кристаллической решётки минимальны, а количество дефектов снижается до рекордно низкого уровня, повышая стабильность материала. Такие усовершенствованные квантовые точки демонстрируют увеличенную концентрацию и время жизни носителей заряда, что позволяет фотогенерированным зарядам перемещаться без потерь на рекомбинацию. Применение этого материала в фотокатоде на основе диоксида титана позволило получить выдающуюся плотность фототока (15,1 мА·см⁻²), сравнимую с показателями токсичных аналогов.

Помимо высокой эффективности, исследователи добились и долговременной стабильности работы устройств, что критически важно для вывода технологии на рынок. Для защиты от окисления в водной среде на поверхность квантовых точек нанесли двойной защитный слой из сульфида цинка (ZnS) и диоксида кремния (SiO₂). Это позволило предотвратить деградацию материала в процессе эксплуатации.

Профессор Ян подчеркнул, что работа демонстрирует возможность преодоления фундаментальных ограничений экологичных квантовых точек за счёт прецизионного наноинжиниринга. Он выразил уверенность, что результаты исследования ускорят коммерциализацию устойчивой водородной энергетики, доказав возможность высокоэффективного получения топлива без использования опасных тяжёлых металлов.