Циркониево-тиольные сети предотвратили утечку свинца из солнечных элементов

Китайские и американские химики научились предотвращать вымывание свинца из перовскитных солнечных элементов. Предложенное ими покрытие из металл-органических каркасных структур защищает солнечный элемент от влаги и кислорода, а тиольные группы в его составе эффективно связывают свинец, не позволяя ему вымываться с дождевой водой. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

В 2018 году солнечные элементы на основе смешанных галогенидов свинца со структурой перовскита достигли эффективности 25,2 процента, а в начале 2020 года тандемы кремний-перовскит преодолели порог в 29 процентов эффективности. Таких эффективностей уже достаточно для выхода на рынок, поэтому сейчас ученые сосредоточились на улучшении стабильности перовскитных солнечных элементов. Пока что в этом параметре новые элементы заметно уступают традиционным — если, к примеру, кремниевые солнечные элементы могут проработать несколько десятков лет, перовскиты пока что преодолели только порог в один год. Еще одна проблема перовскитных солнечных элементов — потенциальная возможность утечки токсичного свинца. Верхнее прозрачное покрытие таких элементов изготавливают из стекла, оно может повредиться и оставить перовскитные материалы без защиты от дождя и влаги. В этом случае небольшие количества свинца могут попасть в почву — хотя растворимость перовскитов и продуктов их распада мала (произведение растворимости в воде порядка 10^-8), в избытке дождевой воды они могут постепенно растворяться и вымываться из солнечного элемента.

Китайские и американские ученые под руководством Алекса Йена (Alex K.-Y. Jen) из Городского университета Гонконга попробовали решить две проблемы одновременно: повысить стабильность солнечного элемента и предотвратить утечку соединений свинца. Они добавили в солнечный элемент дополнительный слой из металл-органических каркасных структур на основе циркония (Zr-MOF). Такое соединение представляет собой сети, в которых ионы циркония связаны между собой органическими мостиками. Тиольные (SH) группы в составе Zr-MOF могут образовывать связи со свинцом, не позволяя ему вымываться с дождевой водой. Одновременно с этим слой Zr-MOF может дополнительно защищать солнечный элемент от влаги и кислорода. 

Слой Zr-MOF ученые расположили между электрон-транспортным слоем из производного фуллерена и серебряным анодом. Авторы предположили, что добавка этого слоя может дополнительно блокировать дырки и снижать контактное сопротивление на границе с анодом, что также увеличит эффективность солнечного элемента. Так и получилось — солнечные элементы без добавок демонстрировали среднюю эффективность в 18,8 процентов, а с дополнительным слоем Zr-MOF — 20,34 процента. Элементы с Zr-MOF также показывали заметно лучшую стабильность — например, они сохраняли более 90 процентов своей начальной эффективности после 1100 работы при относительной влажности 75 процентов, в то время как элементы без добавок в тех же условиях потеряли более 50 процентов своей эффективности.

Для того, чтобы проверить, насколько эффективно циркониевые МОК удерживают свинец внутри, ученые поместили состаренные в предыдущем эксперименте солнечные элементы в дистиллированную воду. Исследователи сравнили две группы солнечных элементов — с дополнительным слоем Zr-MOF и без него. Отметим, что в обоих случаях на элементах не было стеклянного покрытия — в нормальных условиях все работающие «в поле» солнечные элементы защищены таким покрытием, но ученые пытались выяснить, как будет вести себя элемент в случае его поломки. Кроме того раствор подкислили до pH около 5,6 — чтобы сымитировать действие так называемого кислотного дождя — дождевой воды, загрязненной различными кислотными оксидами, чаще всего оксидами серы и азота. Концентрацию растворившегося свинца измеряли с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии. В случае незащищенного солнечного элемента в растворе средняя концентрация была 38,4 миллиардные доли, а в элементе со слоем Zr-MOF всего 7,6 миллионных долей — то есть количество растворившегося свинца удалось снизить более, чем в пять раз. Ученые также оценили емкость запирающего слоя — оказалось, что каждый грамм Zr-MOF может удержать в себе до 355 миллиграммов свинца. Впрочем, Йен и его коллеги полагают, что это не предел: эффективность запирающего слоя можно будет еще увеличить, экспериментируя с различными лигандами в составе металл-органического каркаса.

Продлением жизни перовскитных солнечных элементов сейчас занимается множество научных коллективов по всему миру. В июне химики из Австралии опубликовали статью о различных способах инкапсуляции перовскитных солнечных элементов. Они продемонстрировали, что правильно выбранная инкапсуляция может не только защитить перовскитный материал от влаги и кислорода, но и сделать его более стабильным при высоких температурах.