Фтор увеличил срок службы перовскитных батарей

Время службы перовскитных солнечных элементов удалось резко повысить за счет добавления в их структуру слоя фторированного графена. Предложенная учеными из Кореи архитектура батарей позволила сократить падение их эффективности за 30 дней работы до 18 процентов. Результаты работы опубликованы в Nano Letters.

Вещества со структурой перовскита являются одними из наиболее перспективных материалов в качестве возможной альтернативы кремнию в традиционных солнечных батареях. Уже сейчас эффективность некоторых таких батарей (как органо-неорганических, так и полностью неорганических) превышает 20 процентов. Максимальной эффективности удается добиться для перовскитных элементов с n-i-p архитектурой, в которой между слоями полупроводников с электронной и дырочной проводимостью находится слой нелегированного полупроводника. Однако, несмотря на высокую начальную эффективность таких элементов, она очень быстро падает при работе и уже спустя 10 дней может составлять доли процентов от изначальной. Исследователи объясняют это быстрой химической деградацией материалов отдельных компонентов батареи: в первую очередь, полупроводникового слоя с электронной проводимостью и металлического электрода.

Для того, чтобы решить проблему химической устойчивости группа корейских исследователей предложила использовать в структуре батареи дополнительный графеновый слой, на краях которого находятся атомы фтора. Известно, что фторпроизводные полимерных углеводородов приводят к увеличению поверхностной энергии и позволяют создать химически инертные материалы. Типичным примером такого материала является тефлон — аналог полиэтилена, в котором позиции атомов водорода занимает фтор.

Ученые разработали слоистую структуру солнечного элемента, в которой перовскитным материалом был традиционный для таких батарей органо-неорганический слоистый материал на основе иодида свинца MAPbI₃, и между перовскитом и металлическим электродом вносился дополнительный защитный слой фторированного графена.

Начальная эффективность преобразования энергии в такой батарее составила около 13 процентов. В своем исследовании авторы работы изучили, как эффективность такого элемента падает в течение 30 дней работы при атмосферной влажности около 50 процентов. Полученные результаты они сравнили с эффективностью таких же материалов, в которых графеновый слой был не модифицирован или вместо фтора на границе с внешней средой были присоединены гидроксильные группы.

Оказалось, что добавление слоя фторированного графена действительно позволяет резко снизить скорость падения эффективности батареи. Через 30 дней работы эффективность преобразования солнечной энергии составила 82 процента от начальной. При этом в двух других случаях уже через 15 дней батареи полностью переставали работать.

По словам ученых, методика получения таких структур позволяет осаждать их на любую поверхность, в том числе и гибкую. А благодаря тому, что этот процесс является довольно простым и дешевым, в будущем подобные материалы могут стать одним из компонентов носимых электронных устройств.

Фторирование используется не только для получения химически инертных соединений. Маленький радиус ионов фтора позволил именно его использовать для получения химического комплекса с максимальным координационным числом — 16. Интересно, что фторорганические соединения, наряду с хлорорганикой, могут образовываться и в космосе, в частности на поверхности некоторых комет.

Александр Дубов