Монослой карбазола помог установить новый рекорд на тандемах кремний-перовскит

В начале 2020 года ученые из Университета Геймгольца в Берлине объявили о новом рекорде эффективности тандемных перовскитно-кремниевых солнечных элементов — 29,15 процентов. Десять месяцев спустя в журнале Science вышла подробная статья об элементах-рекордсменах. Чтобы добиться высокой эффективности, ученые использовали перовскитный материал с максимальной шириной запрещенной зоны и стабилизировали его с помощью самоорганизующегося слоя метил-замещенного карбазола.

Тандемный солнечный элемент состоит из двух слоев полупроводника, расположенных один над другим. Верхний полупрозрачный слой имеет большую ширину запрещенной зоны, поэтому поглощает только самое высокоэнергетическую (коротковолновую) часть солнечного излучения. Излучение с более низкой энергией проходит через этот слой насквозь и поглощается в нижнем слое с меньшей величиной запрещенной зоны. В результате тандем может поглощать и преобразовывать в электрическую энергию весь спектр солнечного излучения, а его эффективность выше, чем у каждой из частей по отдельности.

Для нижней части тандема практически идеальным материалом считаются кремниевые полупроводники. Кремний — лидер современного «солнечного рынка», элементы на его основе эффективны, стабильны и очень хорошо изучены. В то же время эффективность кремниевых преобразователей уже почти достигла своего предела и увеличивается очень медленно (рекорд на монокристаллическом кремнии составляет 26,7 процентов, эффективность коммерческих образцов около 20 процентов). Поэтому ученые и инженеры пытаются сделать кремний частью тандема и таким образом получить еще несколько процентов эффективности. Одним из самых подходящих «компаньонов» для кремния считаются перовскиты на основе смешанных галогенидов свинца Эти полупроводниковые материалы дешевые, их легко наносить в качестве второго слоя, а варьируя состав перовскита, можно подобрать подходящее значение ширины запрещенной зоны.

Стив Альбрехт (Steve Albrecht) и его коллеги из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца были одними из первых, кто поверил в перспективы кремниево-перовскитного тандема. В 2015 году они изготовили первый тандемный элемент с эффективностью более 18 процентов. Затем в изучение таких тандемов включились другие группы, а в 2018 лидерство уверенно захватила английская компания Oxford PV: летом они преодолели предел в 27 процентов, а в самом конце года — предел в 28 процентов. В 2019 году новых рекордов не было, но в самом начале 2020 года Альбрехт и его коллеги внезапно вернули себе рекорд, добившись эффективности в 29,15 процентов.

Подсчетом рекордов солнечных элементов официально занимается Национальная лаборатория по изучению возобновляемой энергии США (National Renewable Energy Laboratory, NREL). Чтобы рекорд был зарегистрирован, солнечный элемент должен пройти тестирование в NREL либо в одной из независимых лабораторий, с которым они сотрудничают (тандемы из Университета Геймгольца прошли такое тестирование в Институте систем солнечной энергии Фраунгофера во Фрайберге). А вот публиковать подробности о том, как был сделан элемент, не требуется — например, держатели предыдущих рекордов из Oxford PV так и не раскрыли всех своих секретов. Альбрехт и его коллеги, к счастью, оказались более открытыми: вместе с коллегами из Литвы, Великобритании и Словении они написали подробную статью о новых элементах-рекордсменах.

Нижняя часть тандема — стандартный кремниевый полупроводник толщиной 260 микрометров. Нижнюю поверхность текстурировали, чтобы повысить поглощение ближнего инфракрасного излучения, а верхнюю оставили гладкой, чтобы удобнее было наносить на нее все последующие слои. Верхняя часть — перовскитный полупроводник состава Cs_0.05(FA_0.77MA_0.23)_0.95Pb(I_0.77Br_0.23)₃ (здесь FA — катион формамидиния, МА — катион метиламмония, дробные коэффициенты означают, что 23 процента всех позиций иода заняты бромом) с шириной запрещенной зоны 1,68 электронвольт. Согласно расчетам, именно такая величина запрещенной зоны может обеспечить идеальное распределение солнечной энергии между верхним и нижним слоями, то есть максимальную эффективность элемента. Ширина запрещенной зоны зависит от состава перовскитного материала: чтобы добиться нужного значения, авторы увеличили в нем содержание брома до 23 процентов вместо традиционных для тандемных элементов 17-18 процентов. Однако стабилизировать перовскиты с большим количеством брома непросто: под действием солнечного света в них происходит сегрегация галогенид-ионов и бром оказывается распределен по пленке неравномерно.
Чтобы предотвратить сегрегацию галогенид-ионов в перовските, Альбрехт и его коллеги нанесли перовскит на дырочно-транспортный слой органического вещества — метил-замещенного карбазола. Это вещество образует самоорганизующийся монослой толщиной порядка одного нанометра, который эффективно пассивирует границу перовскита — то есть предотвращает миграцию ионов и образование дефектов. А поскольку слой очень тонкий, он к тому же обеспечивает быструю экстракцию носителей заряда из перовскита, чтобы «дырки» не успевали накапливаться на границе материала. Кроме того, при синтезе солнечного элемента структурированный слой метил-замещенного карбазола служит подложкой для перовскитного слоя и дополнительно улучшает его качество. Все это позволило авторам работы добиться рекордной эффективности перовскитного элемента и тандема в целом. Элементы-рекордсмены показали также высокую стабильность: сохранили 95 процентов своей эффективности после 300 часов непрерывной работы без защитного покрытия.

Для того, чтобы тандемы кремний-перовскит стали коммерчески доступными, нужно повысить стабильность перовскитных материалов. Над этой задачей сейчас работают многие ученые: например, летом австралийские химики предложили новый способ инкапсуляции перовскитных солнечных элементов, который не только надежно защищает от воды и кислорода, но и замедляет деградацию под действием высокой температуры.
Наталия Самойлова