Снятие внутреннего напряжения в кристаллах улучшило перовскитные батареи

Ученые обнаружили, что облучение перовскитных солнечных элементов светом с энергией больше ширины запрещенной зоны позволяет снять внутренние напряжения в перовскитных кристаллах, что приводит к повышению эффективности солнечной батареи. Облучение в течение трех часов повысило эффективность гибридной органо-неорганической батареи с 18,6 до 20,5 процентов и довело время ее устойчивой работы до 1500 часов, пишут ученые в статье Science.

На сегодняшний день перовскитные солнечные элементы считаются одной из наиболее перспективных альтернатив батареям из кремния или арсенида галлия. Эти солнечные батареи имеют слоистую структуру, в которой основной функциональный слой состоит из гибридного органо-неорганического полупроводникового кристалла со структурой перовскита (как правило, используется смешанный иодид метиламмония и свинца CH₃NH₃PbI₃ или его аналоги).

Однако, несмотря на то, что по своей максимальной эффективности перовскитные батареи сейчас уже находятся на одном уровне с кремниевыми элементами, их промышленному использованию мешает ряд недостатков, наиболее заметный из которых — быстрая химическая деградация компонентов батареи. Из-за повышенного энергетического барьера для носителей заряда на стыке между полупроводниковыми элементами батареи и электродами эти контакты быстро разрушаются, что приводит к быстрому снижению эффективности солнечного элемента с течением времени.

Группа материаловедов из США и Франции под руководством Адитьи Мохиты (Aditya D. Mohite) из Лос-Аламосской национальной лаборатории показала, что повысить устойчивость и эффективность гибридного органо-неорганического перовскитного солнечного элемента можно за счет снижения внутреннего механического напряжения в перовските при облучении ее светом с энергией больше ширины запрещенной зоны. В работе ученые исследовали несколько органо-неорганических перовскитов, наиболее эффективным из которых оказался кристалл, в состав которого входит ион формамидиния (CH(NH₂)₂⁺) общего состава (CH(NH₂)₂)_0,7(CH₃NH₃)_0,25Cs_0,05PbI₃.

Этот перовскит в виде тонкой пленки толщиной около 300 нанометров использовали в качестве компонента плоской солнечной батареи. Сразу после получения пленки ее облучали светом в видимой области в течение трех часов интенсивностью около 100 милливольт на квадратный сантиметр. Изменения, которые происходили при облучении с кристаллической структурой перовскита, ученые измеряли с помощью рентгеновской спектроскопии. Оказалось, что облучение позволяет увеличить размер ячейки кристалла сразу на 1,4 процента, переведя кристалл из напряженного состояния в равновесное. По словам ученых, такого расширения оказывается достаточно для согласования кристаллических структур отдельных слоев между собой, уменьшения количества дефектов в кристалле и, соответственно, снижения энергетического барьера при переносе носителей заряда из одного слоя в другой, что позволяет улучшить основные характеристики батареи.

Ученые отмечают, что расширение кристалла примерно того же порядка характерно и для иодида метиламмония-свинца, то есть, скорее всего, характерно для большого количества материалов этого класса гибридных перовскитов.

При обычной интенсивности солнечного света, характерной для безоблачного дня (около тысячи ватт на квадратный метр) эффективность батареи падала на 15 процентов за 800 часов и еще примерно на 15 процентов — за следующие 700 часов. При этом даже при повышении интенсивности в 10 раз, падение эффективности составляет не более 20 процентов за 10 часов.

В качестве другого способа снизить скорость деградации перовскитных батарей химики предлагают использовать химическую модификацию отдельных компонентов батареи или добавление в нее новых слоев. Например, с помощью добавления в структуру батареи легированного танталом оксида вольфрама ученым удалось увеличить срок их службы примерно в 10 раз. Другая группа исследователей использовала в батарее слой фторированного графена, что позволило сократить падение их эффективности за 30 дней работы всего до 18 процентов.

Александр Дубов