Открыты новые возможности солнечных перовскитных элементов
Команда ученых из МИЭМ ВШЭ, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и Университета Южной Калифорнии с помощью технологий машинного обучения нашла способ избежать внутренних дефектов и увеличить эффективность перовскитных солнечных элементов. Результаты исследования могут применяться для разработки более эффективных и долговечных материалов.
Исследование проводилось на двойном перовските Cs2AgBiBr6. Статья опубликована в журнале Journal of Physical Chemistry Letters. Альтернативная энергетика привлекает внимание ученых и инвесторов из-за ее возобновляемости и чистоты. Одним из открытий индустрии в последние 20 лет стали органическо-неорганические перовскиты. Перовскит — это минерал с определенной кристаллической структурой.
Впервые такой тип соединений был обнаружен в 1839 году в Уральских горах и назван в честь графа Льва Перовского. С тех пор как в 2009 году разработали первый галоген-перовскитный солнечный элемент, показатели КПД (коэффициента полезного действия) выросли с 3,8 до 25 процентов в 2021 году. Сейчас перовскиты стали сравнимы с их главными конкурентами — солнечными элементами на основе кремния.
Пленки из перовскитов можно получить осаждением из раствора, это простая и дешевая технология. В этом их преимущество перед кремниевыми батареями и электронными устройствами со сложным процессом осаждения на подложку, где нужны сверхчистый кремний и вакуумные камеры. Существенный минус перовскитов в том, что они склонны к деградации под действием влаги и кислорода воздуха, высокой температуры и интенсивного облучения светом. Поэтому, несмотря на свои достоинства, соединения нестабильны и работать с ними сложно.
Другой проблемой перовскитов стала токсичность свинца, который использовали для увеличения их эффективности. Показатели свинцовых батарей стали немного выше, но с их использованием появились новые трудности. Содержащие свинец фотоэлементы необходимо грамотно утилизировать, иначе можно нанести вред экологии. При этом расходы на утилизацию могут быть больше, чем прибыль от самих устройств. Это экономически невыгодно, поэтому производство свинцовых батарей так и не вышло на промышленный уровень.
Перед учеными возникла задача: найти нетоксичное и стабильное соединение, не содержащее ядовитый свинец и химически неустойчивую органическую компоненту, а также способное обеспечить высокий КПД устройства. Такую работу провела группа исследователей из России и США. Для создания новых солнечных перовскитных элементов был выбран материал Cs2AgBiBr6 и изучены его свойства.
Соединение имеет структуру двойного перовскита с химической формулой A2BB’X6, где А — большой катион (положительно заряженный ион), В, B’ — катионы меньшего размера, чем А, а Х — анион (отрицательно заряженный ион). В данном соединении сайты B, B’ заняты катионами Ag и Bi. Такое соединение устойчивее: риск того, что неорганические ионы Cs, Ag и Bi будут реагировать с окружающей средой, довольно мал. Ученые исследовали нетоксичное и стабильное соединение, Cs2AgBiBr6, эффективность которого, однако, была менее трех процентов из-за дефектов в пленках.
Дефекты провоцируют захват фотогенерированных зарядов и ускоряют процесс их рекомбинации: положительно и отрицательно заряженные частицы начинают сталкиваться чаще, нейтрализуют друг друга, и заряды исчезают. Это приводит к потерям энергии: вместо того чтобы генерировать электрический ток, она рассеивается в виде тепла.
Чтобы понять, как снизить возможность образования дефектов, ученые анализировали механизм образования центров рекомбинации отрицательно заряженными вакансиями Br. Вакансиями брома называют отсутствие атомов Br в решетке Cs2AgBiBr6. Такие дефекты встречаются чаще всего. Нейтральные вакансии не сильно влияют на исчезновение зарядов. Но как только эти дефекты принимают электроны и становятся отрицательно заряженными, возникают ловушки.
Большой объем данных о дефектах (десятки тысяч конфигураций) генерировался с помощью компьютерного моделирования. Исследователи использовали квантовую теорию функционала плотности. Большое количество полученных данных затрудняло анализ результатов. Чтобы решить эту проблему, применялись современные методы машинного обучения и анализа результатов. Это помогло определить, движения каких атомов приводят к созданию ловушек и исчезновению зарядов, что снижает эффективность солнечных элементов. Ученые предложили химические способы избегать формирования таких дефектов при изготовлении материалов.
«Машинное обучение позволило нам выявить наиболее важные параметры, которые управляют захватом и исчезновением (рекомбинацией) зарядов, — комментирует профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ, заместитель заведующего лабораторией квантовой наноэлектроники Андрей Васенко. — Результаты нашей работы могут использоваться для создания рекомендаций по устранению дефектов и разработке лучших материалов для перовскитных солнечных элементов».
Telegram 
Дзен 
VK В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые раскрыли причины удивительной сохранности крупнейшей из пирамид Гизы. Секрет того, что за прошедшие тысячелетия пирамиду не разрушили землетрясения, кроется в особенностях ее конструкции, в том числе в так называемых разгрузочных камерах, расположенных непосредственно над погребальной камерой фараона.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно