Физики увеличили срок службы солнечных батарей
Группа ученых, куда вошли исследователи МФТИ, изучила молекулы на основе амина для перовскитных солнечных элементов. Работа открывает новые возможности для создания долговечных и эффективных солнечных батарей.
Результаты опубликованы в журнале RSC Advances. Перовскитные солнечные элементы с архитектурой n-i-p имеют слоистую структуру: прозрачный электрод, выполняющий роль катода; слой, который транспортирует электроны к катоду — электрон-транспортный слой. Чаще всего состоит из оксидов металлов TiO₂, SnO₂ или ZnO.
Далее идет перовскитный слой, в котором происходит поглощение света. Затем слой, который транспортирует дырки к аноду — дырочно-транспортный слой. Чаще всего он состоит из органических молекул, например, PTAA — молекула из семейства поли(триарил)аминов. И, наконец, металлический электрод, который выполняет функцию анода.
При поглощении света перовскиты создают электронно-дырочные пары (экситоны). Под действием внешнего электрического поля эти пары разделяются на электроны и дырки. Электроны движутся к электрон-транспортному слою, который эффективно собирает электроны и доставляет к катоду. Дырки движутся к дырочно-транспортному слою, который направляет их к аноду. Электроны на катоде и дырки на аноде формируют электрический ток, который передается во внешнюю цепь. Коэффициент полезного действия перовскитных солнечных элементов достигает 26%. Такой высокий показатель эффективности получается за счет добавления допантов, что ухудшает стабильность работы дырочно-транспортного слоя.
«Часто в качестве дырочно-транспортных материалов используются полимеры, например, PTAA или малые молекулы Spiro-OMeTAD, но для их эффективной работы требуется дополнительное легирование. К сожалению, это негативно отражается на сроке службы солнечных батарей. В данной работе мы попытались найти такие структуры материалов, которые не требуют дополнительного легирования для эффективной работы», — рассказал Илья Мартынов, старший научный сотрудник лаборатории двумерных материалов и наноустройств Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.
Ученые поставили перед собой цель разработать долговечные и эффективные материалы для транспортировки дырок в перовскитных солнечных элементах.
Для этого физики синтезировали молекулы, обеспечивающие стабильную транспортировку. Проблема заключалась в оптимизации молекулярной структуры для улучшения подвижности носителей и уменьшения дефектов на границе слоев.
Физики получили три звездообразные малые молекулы DPAMes-TT, TPA-TT (на основе трифениламина) и PhFF-TT (на основе трифторбензола). Эффективность полученных молекул сравнивалась с параметрами PTAA, широко применяемого в перовскитных солнечных элементах.
«Молекулярный дизайн звездообразных молекул позволил получить ряд преимуществ по сравнению с линейными. Например, увеличенный транспорт заряда за счет улучшенного π–π взаимодействия и увеличенной кристалличности пленки», — объяснил Илья Мартынов.
Ученые исследовали физико-химические свойства созданных молекул, такие как уровни энергии высшей занятой молекулярной орбитали и низшей свободной молекулярной орбитали, термическую стабильность, подвижность дырок. Результаты исследования показали, что молекулы DPAMes-TT и TPA-TT имеют глубоко лежащие уровни ВЗМО, которые хорошо соответствуют зоне проводимости перовскитного материала, узкие запрещенные зоны, они склонны к самоупорядочению в растворах и высокой кристалличности в пленках, что обеспечивает высокую подвижность носителей зарядов. . Все молекулы стабильны при температурах выше 470°C, что превосходит PTAA (300–400°C). Все синтезированные материалы показали подвижность дырок почти на порядок выше, чем у PTAA.
«Такая рекордная стабильность обуславливается высокой термической стабильностью молекул, низкой дефектностью и высоким качеством формируемого интерфейса, в том числе за счет пассивации границы перовскитного слоя», — пояснила Марина Теплякова, старший научный сотрудник Сколтеха.
Физики использовали новые молекулы в изготовлении перовскитных солнечных элементов и измерили их фотоэлектрические параметры и стабильность. В результате ученые выделили две молекулы DPAMes-TT и TPA-TT. Они обеспечили высокую эффективность более 19% без добавления допантов и стабильность более 90% начальной эффективности после 1200 ч испытания солнечной ячейки, превосходя традиционную с PTAA, показавшую КПД всего 18,1% и менее 40% от начальной эффективности при тех же условиях эксперимента.
Ученые предполагают, что использование молекулы DPAMes-TT в перовскитных солнечных батареях приблизит их коммерциализацию и позволит создавать эффективные солнечные панели для энергоснабжения зданий. Кроме того, разработанные молекулы перспективны для возможного использования их в органических светодиодах и датчиках освещенности или фотодетекторах.
«Мы планируем продолжать работы по оптимизации молекулярной структуры для достижения еще лучших параметров как в эффективности устройств, так и их эксплуатационной стабильности. Кроме того, коллеги оптимизируют методы синтеза для масштабирования объемов производства органических полупроводниковых материалов», — поделился Александр Аккуратов, заведующий лаборатории фоточувствительных и электроактивных материалов, ФИЦ ПХФиМХ РАН.
В работе участвовали ученые из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Сколтеха, Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Исследовательского центра новых технологий XPANCEO (ОАЭ) и Ереванского государственного университета (Армения).
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые РТУ МИРЭА и Сибирского федерального университета создали программный комплекс, который анализирует учебные планы вузов быстрее секунды и находит в них слабые места. Большинство учебных планов содержат скрытые противоречия, дублирования и неочевидные перекосы в подготовке специалистов. Это важно, потому что от качества учебного плана напрямую зависит, какие реальные навыки получат студенты и насколько они будут востребованы работодателями.
В популярной литературе сверхмассивные черные дыры чаще всего представляют как разрушители звезд и планет. Авторы новой работы попробовали рассчитать, что на самом деле происходит в окрестностях таких объектов и пришли к противоположному выводу.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
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.
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.
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