Химики объяснили игольчатость «солнечных» перовскитов

Химики из Московского государственного университета, Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН и Федеральной политехнической школы Лозанны объяснили игольчатое строение органическо-неорганических перовскитов, используемых в новом типе солнечных батарей. Кроме того, авторы нашли новый способ синтеза производных таких перовскитов. Исследование опубликовано в журнале Chemistry of Materials, кратко о нем сообщает пресс-релиз МГУ.

Перовскитные солнечные батареи на основе иодида свинца-метиламмония — самый быстроразвивающийся тип фотовольтаических элементов. За семь лет, с 2009 по 2016 год, их эффективность выросла с 4 до 22 процентов. Интерес к ним вызван легкостью синтеза перовскитов — в отличие от традиционных «солнечных» материалов, таких как кремний, они не требует высоких температур или вакуума для нанесения. Вырастить кристаллы этого материала можно обычными растворными методами — смешиванием необходимых количеств иодида свинца и метиламмония и их совместной кристаллизацией. При этом, как правило, образуются нано и микроволокна материала.

Авторы новой работы разработали подход к синтезу аналогов иодида свинца-метиламмония, содержащих другие анионы: хлор и бром. Если пытаться синтезировать такие перовскиты напрямую, то окажется, что форма кристаллов получающихся хлоридов и бромидов отличается от иодидов — они кубические, а не игольчатые. Для того, чтобы сохранить форму кристаллов химики предложили использовать метод ионного обмена.

В методе ионного обмена уже готовый иодидный перовскит помещают в раствор хлорида или бромида метиламмония. Постепенная замена ионов в кристаллах позволяет получить новый материал, не меняя структуры исходного.

Отслеживая рост кристаллов, химики обратили внимание на еще одну важную особенность перовскитов. В работе синтез иодидного материала проводился погружением подложки с кристаллами иодида свинца в раствор иодида метиламмония. Оказалось, что прежде чем сформировать коричневый перовскит образуется промежуточная «белая фаза». Именно ее строение и задает нановолокнистую структуру перовскита. 

Помимо солнечных батарей, органическо-неорганические перовскиты находят применение в качестве рабочих тел лазеров. Так, в прошлом году химики из Университетов Колумбии и Висконсин-Мэдисона показали, что «лазеры из пробирки» оказались не хуже, чем их эпитаксиальные аналоги.

Владимир Королёв