Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Соли пиперидиния повысили стабильность перовскитных солнечных батарей

Lin et al. / Science, 2020

Материаловеды повысили стабильность и эффективность широкозонных перовскитных солнечных элементов, которые можно использовать в качестве верхней части тандемного солнечного модуля. Добавка соли замещенного пиперидиния в перовскитный слой предотвращает окисления анионов иода до молекулярного иода, в результате чего солнечные элементы сохраняют 95 процентов своей эффективности после 1000 часов работы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Тандемные солнечные модули состоят из двух полупроводниковых солнечных элементов, расположенных друг под другом. Сначала солнечный луч проходит через верхний полупрозрачный полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, где поглощаются самые высокоэнергетические фотоны (с меньшей длиной волны). Фотоны с меньшей энергией проходят насквозь и поглощаются в нижнем полупроводнике с меньшей величиной запрещенной зоны. Таким образом, тандемная архитектура позволяет максимально эффективно использовать весь спектр солнечного излучения.

В качестве нижней части тандема чаще всего используют кремний, а для верхней одним из лучших материалов считаются широкозонные перовскитные полупроводники на основе смешанных галогенидов свинца с добавками цезия и брома. В начале 2020 года тандем кремний-перовскит достиг эффективности в 29,1 процента — это почти на 3 процента больше, чем рекордная эффективность кремниевых солнечных элементов. Для коммерческого использования кремний-перовскитному тандему пока что не хватает стабильности. «Слабое звено» таких тандемов — конечно, перовскит: если кремниевые солнечные элементы сохраняют свою эффективность в течение десятков лет, то лучшие перовскиты выдерживают пока только несколько тысяч часов работы.

Солнечные элементы на основе широкозонных перовскитов считаются более стабильными, чем стандартные перовскиты — они не содержат в своем составе метиламмония, который очень чувствителен к термическому стрессу, однако у таких устройств есть и серьезный недостаток. Дело в том, что при изготовлении монолитных тандемов все слои перовскитного солнечного элемента нужно последовательно наносить на готовый кремниевый солнечный элемент — нижнюю часть будущего тандема. Чтобы не повредить кремниевый элемент, синтез проводят в мягких условиях, при температуре не выше 200 градусов Цельсия. Этой температуры вполне достаточно для кристаллизации перовскитного активного слоя, но не всегда достаточно для нанесения транспортных слоев, которые располагаются сверху и снизу от активного слоя и обеспечивают разделение зарядов в солнечном элементе. В тандемных солнечных элементах нельзя использовать оксидные транспортные слои, для кристаллизации которых нужна высокая температура (более 400 градусов Цельсия), поэтому их приходится заменять на органические и полимерные материалы, которые могут быть менее стабильными.

Новая работа материаловедов из пяти стран под руководством Генри Снэйта (Henry J. Snaith) из Университета Оксфорда посвящена стабилизации широкозонных перовскитов солнечных элементов — прототипов верхней части тандема. Они изготовляли Cs0.17FA0.83Pb(I1-xBrx)3 c разным содержанием брома и разной величиной запрещенной зоны — от 1,56 до 1,76 электрон-вольт. В качестве электрон-транспортного слоя ученые использовали производное фуллерена PCBM, а в качестве дырочно-транспортного слоя — поли(4-бутилфенил-дифениламин) (polyTPD). Все эти материалы можно наносить при низкой температуре (не выше 130 градусов Цельсия), поэтому такой солнечный элемент вполне можно синтезировать как второй слой поверх кремниевого солнечного элемента.

Для повышения стабильности исследователи добавляли в активный слой тетрафторборат 1-бутил-1-метил-пиперидиния (BMP) — его количество варьировалось от 0 до 0,3 мольного процента, оптимальный эффект обеспечила добавка 0,25 процента. Ячейки с добавками BMP действительно оказались заметно стабильнее: они сохраняли 95 процентов своей эффективности после 1000 часов облучения солнечным светом при температуре 60 градусов Цельсия, в то время как такие же элементы без добавок теряли больше половины своей эффективности уже за первые 200 часов эксперимента. Кроме того добавка BMP улучшила напряжение холостого хода и эффективность солнечных элементов — в среднем на полтора процента.

Авторы предположили, что добавка BMP подавляет окисление анионов иода до молекулярного иода, который затем покидает кристаллическую решетку — процесс, с которого часто начинается деградация перовскитных материалов. Для подтверждения этого предположения они поместили две перовскитные пленки с добавкой BMP и без добавок в емкость с толуолом (органическим растворителем, который не растворяет перовскиты, но хорошо растворяет иод) и облучили солнечным светом при температуре 60 градусов Цельсия.

Согласно данным спектроскопии поглощения, количество растворившегося иода в первом случае было почти вдвое ниже. Исследователи предложили этому следующее объяснение. Во-первых, добавки BMP улучшают кристаллизацию перовскита, поэтому в таких пленках содержится меньше дефектов Френкеля (вакансий иода и межузельных пар) и меньше остатков непрореагировавшего иодида свинца — основного источника подвижных иодид-ионов, склонных к окислению. Во-вторых, наличие BMP снижает скорость диффузии дефектов через перовскитный материал — поэтому двум межузельным частицам иода (в анионной или уже оксиленной форме) сложнее встретить друг друга и образовать молекулу иода, чтобы затем покинуть кристаллическую решетку перовскита.

Кроме того, оказалось, что использование полимерных транспортных слоев, которое часто бывает причиной низкой стабильности перовскитных солнечных элементов, в данном случае наоборот было полезным для стабильности. В солнечных элементах с оксидным транспортным слоем, ионные добавки нередко скапливаются на границе активного и транспортного слоев, а в глубине перовскитного слоя их концентрация невысока. А в солнечном элементе с полимерным транспортным слоем , согласно данным микроскопии, добавка BMP оказалась распределена более равномерно по всему перовскитному слою, поэтому ее стабилизирующее действие усилилось.

Недавно австралийские ученые опубликовали исследование о новых способах инкапсуляции перовскитных солнечных элементов, содержащих метил-аммониевый фрагмент. Оказалось, что с помощью инкапсуляции можно не только защитить перовскит от влаги и кислорода, но и повысить его термическую стабильность.

Наталия Самойлова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.