Синергетические оптоэлектронные и термоэлектрические свойства Rb2AsAuBr6 и Rb2AsAuCl6 — двойные перовскиты для многофункционального преобразования энергии

Почему важно иметь один материал для двух задач

Современному обществу нужны материалы, способные извлекать как можно больше полезной энергии из солнечного света и потерянного тепла. Сегодняшние солнечные панели в основном превращают свет в электричество, а термоэлектрические устройства отдельно конвертируют тепло в энергию. В этом исследовании рассматриваются два недавно спроектированных кристалла, которые потенциально могут выполнять обе функции одновременно, открывая путь к более компактным и эффективным технологиям сбора энергии.

Строительные блоки с аккуратной атомной решёткой

Материалы, лежащие в основе этой работы, относятся к семейству двойных перовскитов, где разные атомы располагаются в строго упорядоченной трёхмерной структуре. Исследователи сосредоточились на двух родственных соединениях, содержащих рубидий, мышьяк, золото и либо бром, либо хлор. С помощью передовых компьютерных расчётов они сначала задали базовый вопрос: будут ли эти кристаллы устойчивы в реальных условиях? Изучив их структурные и упругие характеристики, они установили, что обе версии механически и термодинамически стабильны: хлорсодержащий кристалл оказался несколько более жёстким и компактным, тогда как бромсодержащий — более гибким и объёмным.

Как они взаимодействуют со светом

Чтобы годиться для солнечных и оптоэлектронных устройств, материал должен поглощать видимый свет и переводить электроны в более высокие энергетические состояния. Расчёты показывают, что оба кристалла являются полупроводниками с запрещёнными зонами — интервалами энергий, определяющими поглощение света — хорошо подходящими для солнечных приложений. Бромистая версия имеет меньшую ширину запрещённой зоны, то есть начинает поглощать свет при более низких энергиях фотонов, тогда как хлорная требует немного более высокоэнергетического света. Оба демонстрируют сильное поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях с величинами поглощения, сопоставимыми с известными поглощающими материалами для солнечных батарей. Это указывает на их способность эффективно улавливать солнечный свет в тонких слоях — желательное свойство для лёгких и гибких солнечных технологий.

Преобразование тепла в электричество

Помимо сбора света, команда изучила, насколько эффективно эти материалы преобразуют разницу температур в электрическое напряжение — характеристику, измеряемую коэффициентом Зеебека. Оба кристалла демонстрируют относительно большие положительные значения коэффициента Зеебека, что указывает на предпочтение положительных носителей заряда и на способность генерировать значительные напряжения при температурных градиентах. В то же время они достаточно хорошо проводят электричество и, что важно, плохо проводят тепло. Такое сочетание — высокий коэффициент Зеебека, приемлемая электрическая проводимость и низкая теплопроводность — как раз необходимо для хороших термоэлектрических свойств. В работе оценивается достойный суммарный показатель эффективности (ZT) порядка 0,75 для обоих соединений, что конкурентоспособно по сравнению со многими известными термоэлектрическими материалами.

Что происходит внутри при колебаниях атомов

Исследователи также изучали, как атомные колебания переносят тепло и как материалы реагируют на изменения температуры и давления. Их анализ показывает, что тяжёлые атомы золота и сложная природа связей нарушают гладкий поток колебательной энергии, удерживая теплопроводность решётки на очень низком уровне. Рассчитанные свойства — такие как теплоёмкость, энтропия, температура Дебая и тепловое расширение — ведут себя физически правдоподобно в широком диапазоне температур, что укрепляет вывод о том, что эти кристаллы должны оставаться стабильными при эксплуатации в реальных устройствах.

Почему эта работа важна для будущих устройств

Проще говоря, исследование выделяет два близкородственных материала, которые, по прогнозам, эффективно поглощают солнечный свет, генерируют полезные электрические токи и одновременно преобразуют тепло в электричество, оставаясь при этом стабильными и технологичными. Бромсодержащий кристалл склоняется к более сильному поглощению света и более высокому термоэлектрическому отклику, тогда как хлорный — чуть более прочен и термостойкий. В совокупности они демонстрируют, как тщательный атомный дизайн может породить «многофункциональные» материалы, объединяющие солнечные и термоэлектрические технологии и потенциально позволяющие создавать устройства, улавливающие и свет, и потерянное тепло в единой твердотельной платформе.

Цитирование: Bouferrache, K., Ghebouli, M.A., Fatmi, M. et al. Synergistic optoelectronic and thermoelectric performance in Rb₂AsAuBr₆ and Rb₂AsAuCl₆ double perovskites for multifunctional energy conversion. Sci Rep 16, 13616 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42440-z

Ключевые слова: двойные перовскиты, солнечная энергия, термоэлектрические материалы, сбор энергии, галидные полупроводники