Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях

Химики нашли перовскитный материал для солнечных батарей на основе олова, в котором время жизни горячих электронов с избыточной энергией достигает нескольких наносекунд, что на три порядка больше, чем в других аналогичных соединениях. Использование таких электронов в солнечных батареях увеличивает теоретический предел их эффективности с 34 до 66 процентов, пишут ученые в Nature Communications.

Максимальная эффективность однослойных солнечных батарей ограничивается пределом Шокли — Квайссера и составляет около 34 процентов. Этот предел характеризуется долей солнечного света, которую может поглотить фотоэлемент, состоящий из единственного p-n-перехода. КПД солнечных батарей можно увеличить за счет использования энергии горячих носителей заряда (электронов и дырок), которые образуются при поглощении света с энергией больше ширины запрещенной зоны. Однако эффективно их использовать не удается ни в кремниевых батареях, ни в традиционных перовскитных органо-неорганических ячейках на основе трииодида метиламмония свинца (CH₃NH₃PbI₃). Горячие носители заряда в таких материалах живут не дольше одной пикосекунды, после чего избыточная энергия рассеивается в виде колебаний кристаллической решетки, и электроны остывают, и использовать ее для создания напряжения не удается.

Группе химиков из Нидерландов и Франции под руководством Марии Антониэтты Луа (Maria Antonietta Loi) из Гронингенского университета обнаружила такой перовскитный материал для создания солнечного элемента, в котором время жизни горячих носителей заряда примерно в тысячу раз больше, чем в свинцовых перовскитах, и составляет около нескольких наносекунд. Таким веществом оказался трииодид формамидиния олова FASnI₃. По своей структуре этот материал полностью аналогичен свинцовым перовскитам, только позиции свинца в нем занимает олово, а в качестве органического катиона выступает формамидиний (CHNHNH₃⁺). Для изучения свойств таких материалов ученые наносили кристаллы на поверхность смешанного оксида индия и олова и анализировали их с помощью фотолюминесцентной спектроскопии с разрешением по энергии и времени.

Данные спектроскопии показали, что для таких органо-неорганических перовскитных кристаллов действительно характерно увеличение времени жизни горячих носителей заряда, которое может достигать 6 наносекунд. Что интересно, этот эффект наблюдается как при комнатной температуре, так и при охлаждении материала до −250 градусов Цельсия. Это сразу ограничивает диапазон возможных причин для его объяснения. По предположениям ученых, скорее всего, аномально большое время жизни носителей заряда с повышенной энергией в данном материале связано с ограниченной возможностью образования в кристаллической решетке фононов, что приводит к сильному замедлению релаксации возбужденного состояния с повышенной энергией. Другой возможной причиной эффекта ученые называют разницу в электронной структуре перовскитов на основе свинца и олова, но такое объяснение авторы работы считают менее вероятным.

Увеличение времени жизни горячих носителей заряда приводит к смещению пика фотолюминесценции в область более коротких длин волн и увеличению мощности испускания, которая составила 150 миллиэлектронвольт при −250 градусах Цельсия и 75 миллиэлектронвольт при комнатной температуре. Кроме того, ученые обнаружили, что вклад эффекта горячих носителей заряда в фотолюминесценцию происходит при увеличении интенсивности облучения. При более мощном облучении увеличивается температура горячих электронов, так что при интенсивности в 4 ватта на квадратный сантиметр вклад горячих электронов достигает 60 процентов.

Авторы работы отмечают, что возможность использования энергии горячих электронов для создания электрического напряжения сразу поднимает теоретический предел эффективности солнечных батарей до 66 процентов. При этом, кроме увеличения времени жизни горячих носителей заряда, предложенные перовскиты хороши тем, что не содержат в своей структуре токсичного свинца.

Чтобы перовскитные солнечные элементы можно было использовать в промышленных технологиях, кроме недостаточной эффективности и токсичности, ученым приходится также решать проблему их хрупкости и очень небольшого срока службы. Для повышения механической устойчивости батарей, например, ученые предлагают делать ячейки с сотовой структурой, а чтобы увеличить время их жизни в качестве одного из компонентов можно использовать легированный танталом оксид вольфрама.

Александр Дубов