Перовскитные солнечные батареи выдержали 1800 часов термического стресса

Австралийские химики выяснили, что защитное покрытие может не только защитить перовскитный солнечный элемент от влаги, но и повысить его термическую стабильность. Такое покрытие помогло наименее стабильным перовскитным солнечным батареям впервые пройти международную сертификацию IEC61215:2016, в том числе они выдержали нагрев до 85 градусов Цельсия на протяжении 1800 часов, а также несколько циклов охлаждения до -40 градусов Цельсия. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Эффективность перовскитных солнечных элементов возросла с 3,8 до 25,2 процентов всего за десять лет. Такие солнечные батареи просты в получении, дешевы и могут применяться для преобразования солнечного света в электроэнергии как самостоятельно, так и в качестве верхней полупрозрачной части тандемных солнечных элементов.

Главной проблемой перовскитных материалов остается недостаточная стабильность. Под действием солнечного света, нагревания, а также кислорода и атмосферной влаги, перовскитные солнечные элементы деградируют — в них ухудшается экстракция заряда из активного слоя на электроды, начинается миграция ионов между слоями, а на более поздних этапах происходит разрушение кристаллической решетки перовскита. Сейчас ученые активно ищут способы улучшения стабильности таких солнечных элементов, например разрабатывают для них различные инкапсулирующие покрытия для защиты от кислорода и влаги.

Анита Хо-Бейли (Anita W. Y. Ho-Baillie) из Университета Нового Южного Уэльса и ее коллеги ранее уже предложили простой и эффективный способ инкапсуляции перовскитных солнечных элементов с помощью стекла и быстрозастывающих полимеров. В новой работе они усовершенствовали этот метод и применили его для инкапсуляции самых нестабильных перовскитов — содержащих метиламмониевую группу (MA). Перовскитные элементы с метиламмонием демонстрируют лучшую эффективность, но худшую стабильность, особенно чувствительны такие материалы к нагреванию. Авторы работы изучили стабильность двух перовскитных материалов — Cs_0.05FA_0.8MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)₃ и FA_0.85MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)_3, которые содержат по 15 мольных процентов метиламмониевого катиона. Для инкапсуляции использовалось обычное тонкое стекло которое «приклеивали» к солнечному элементу при помощи быстрозастывающих полимерных материалов — но основе полиизобутилена (PIB) или полиолефинов (PO). Авторы протестировали два способа нанесения полимеров — в одном случае их наносили только на края солнечного элемента, а во втором случае на всю его поверхность.

Самой надежной оказалась полная инкапсуляция с полиизобутиленом. Все образцы с такой инкапсуляцией показали уровень стабильности, соответствующий международной сертификации солнечных элементов IEC61215:2016, то есть выдержали 1000 часов нагрева до 85 градусов Цельсия, а также по 10 циклов охлаждения до - 40 градусов Цельсия с последующим нагревом до 85 градусов Цельсия. Оба эксперимента проводятся при относительной влажности 85 процентов, и сертификат получают те элементы, которые в конце испытания сохраняют эффективность не менее 95 процентов от начальной. 

Солнечный элемент на основе Cs_0.05FA_0.8MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)₃ в обоих экспериментах показал даже лучшую стабильность, чем нужно — выдержал 1800 часов нагрева и 75 циклов охлаждения/нагрева. Образцы с полной инкапсуляцией полиолефинами успешно прошли часть теста с циклированием, но не выдержали испытание длительным термическим стрессом (лучший образец продержался 564 часа). А вот образцы с краевой инкапсуляцией показали недостаточную стабильность в обоих случаях. Отметим, что перовскитные солнечные элементы, содержащие метиламмоний, успешно прошли сертификацию IEC61215:2016 впервые в истории.

Любопытно, что инкапсуляция, по всей видимости, повысила не только стабильность солнечных элементов в условиях влажности, но и термическую стабильность. Авторы предложили этому следующее объяснение: при разложении перовскитного материала получается много газообразных продуктов: аммиак (NH₃), иодоводород (HI), бромоводород (HBr), метилбромид (CH₃Br), метилиодид (CH₃I), метиламин (CH₃NH₂) и циановодород (HCN). При этом процесс разложения перовсита обратим, и, если все газообразные продукты надежно запечатаны внутри, через какое-то время в системе устанавливается равновесие. Если же инкапсуляция негерметична и газообразные продукты покидают систему, то, согласно принципу Ле Шателье — Брауна, равновесие постоянно смещается в сторону разложения перовскитного материала. Это предположение было подтверждено данными газовой хроматографии и масс-спектрометрии. При нагревании контрольных неинкапсулированных образцов было зафиксировано выделение аммиака, метиламинаи других газообразных продуктов, а при нагревании инкапсулированных образцов — нет.

Таким образом, результаты австралийских химиков показывают, что инкапсуляция может не только защитить перовскитный солнечный элемент от влаги и кислорода, но и повысить его термическую стабильность. Предложенный способ инкапсуляции дешев, несложен и может применяться как для лабораторных образцов так и для перовскитных солнечных элементов, полученных промышленным способом.

Ученые тестируют и другие способы стабилизации перовскитных солнечных элементов. Например, немецкие химики показали, что дополнительный слой оксида вольфрама может снизить потери тока на границе между слоями и замедлить химическую деградацию материала.

Наталия Самойлова