Химики продлили жизнь горячим электронам в перовскитных батареях

H.-H. Fang et al./ Nature Communications, 2018
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.
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.
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