Перовскиты — это материалы с особой кристаллической структурой, в которой атомы свинца и галогенов (например, йода) соединены с небольшими органическими или неорганическими ионами. Такая решетка хорошо поглощает свет и эффективно превращает его в электричество. За 10 лет перовскитные солнечные элементы превратились из лабораторного эксперимента в направление солнечной энергетики. Потенциально их можно производить дешевле, чем кремниевые аналоги, и по эффективности они почти догнали их.
Лучшие результаты показывают перовскиты с йодом, достигающие более 26% КПД. Это связано с тем, что их энергетическая структура хорошо подходит для поглощения солнечного света и улавливания значительной части излучения. Заряженные частицы в таком кристалле живут дольше, могут проходить большие расстояния и меньше теряются из-за дефектов структуры, что минимизирует потери заряда. Однако у йодидных перовскитов есть и недостаток: при длительном действии освещения и нагрева их кристаллическая решетка теряет йод, который разрушает металлические контакты. Из-за этого батарея постепенно деградирует, и ее эффективность снижается.
Проблему пытались решить, укрепляя кристаллы или добавляя молекулы, которые удерживают йод с помощью водородных связей. Но такие связи недостаточно прочные и плохо удерживают йод при длительной работе устройства. Казалось бы, логично использовать более сильные связи — электростатические, при которых положительно заряженная молекула удерживает отрицательно заряженный йод прочнее. Но было неясно, как встроить такие молекулы в кристаллическую решетку перовскита, не нарушив ее.
В новом исследовании ученые МИЭМ ВШЭ, Восточно-Китайского педагогического университета, Нормального университета Хэньяна и Университета Нинбо нашли способ электростатически удерживать йод внутри структуры перовскита и повысить устойчивость солнечных элементов к длительному освещению и нагреву. Исследование опубликовано в журнале Advanced Energy Materials.
Сначала исследователи провели теоретические расчеты, чтобы подобрать молекулы, которые смогут лучше всего удерживать трийодид-ион (I₃⁻). Наиболее эффективными оказались четвертичные аммонии — молекулы, у которых атом азота полностью окружен углеводородными группами. Такая конфигурация позволяет надежно удерживать трийодид, поэтому в дальнейших экспериментах ученые использовали тетрабутиламмоний-йодид (TBAI).
В экспериментальной части исследователи ввели TBAI в раствор, из которого формируются перовскитные пленки, и сравнили такие пленки с контрольными — без добавки. Пленки с TBAI сохраняли структуру и химическую стабильность при свете и нагреве, тогда как контрольные постепенно разрушались. Это видно по количеству металлического свинца — индикатора распада перовскита: после 250 часов света и нагрева его содержание в улучшенных пленках почти не изменилось, а в контрольных выросло примерно в полтора раза. Кроме того, в пленках с TBAI удалось почти полностью остановить миграцию йода и меди между слоями.
Затем ученые испытали полноценные солнечные элементы. Добавка TBAI не только предотвратила деградацию, но и улучшила сам материал: зерна перовскита стали более крупными и упорядоченными, число дефектов сократилось, а эффективность солнечного элемента выросла с 24,14 до 26,23%. Для современных перовскитных устройств, которые работают близко к своим физическим пределам, такой прирост существенен. Также добавка заметно повысила стабильность перовскитов: после 1000 часов работы при 85 °C устройства с TBAI сохранили 92,5% начальной эффективности, тогда как контрольное устройство деградировало до 43,8% уже через 288 часов.
Авторы работы надеются, что такой способ управления электростатическими силами в перовските поможет создавать более долговечные солнечные элементы. «В теории такой подход можно применить и к другим типам галогенидных перовскитов, например к материалам, где йод сочетается с бромом. Это позволит разрабатывать солнечные батареи, которые будут сочетать высокую эффективность и устойчивость к нагреву», — комментирует профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко.
Исследование выполнено в рамках проекта «Разработка высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов».