Углекислый газ помог получить транспортные слои для солнечных элементов

Американские химики нашли простой и быстрый способ подготовки транспортных слоев для перовскитных солнечных элементов. Оказалось, достаточно пропустить через раствор исходного соединения углекислый газ в течение одной минуты. Солнечные элементы, полученные новым способом, к тому же эффективнее и стабильнее за счет меньшего количества ионов лития. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Для того чтобы солнечный элемент эффективно работал, недостаточно обеспечит поглощение света и генерацию зарядов. Заряды также нужно разделить, отправив отрицательного заряженные электроны к аноду, а положительно заряженные дырки — к катоду. В перовскитных солнечных элементах для этого используются транспортные слои, которые располагаются сверху и снизу активного слоя. Один из таких слоев пропускает только электроны, а второй — только дырки.

Для дырочно-транспортного одним из лучших материалов считается органическое соединение 2,2′,7,7′-тетракис(N,N-диметоксифениламин) 9,9′-спирофлюорен (spiro-OМeTAD). Обычно его слой наносят поверх перовскитного слоя. Чтобы слой лучше проводил дырки, его нужно частично окислить, то есть перевести примерно десять процентов молекул в форму катиона. Обычно поверх spiro-OМeTAD наносят слой солей лития, а затем оставляют солнечный элемент на воздухе и в светлом помещении в течение нескольких часов. Под действием света и солей лития spiro-OMeTAD реагирует с кислородом воздуха и отдает ему один электрон. Однако, такое окисление — долгий процесс, во время которого сложно контролировать, что происходит с другими слоями будущего солнечного элемента.

Американские химики под руководством Андре Тейлора (André D. Taylor) из Нью-Йоркского Университета нашли новый более простой способ подготовки слоя spiro-OMeTAD в перовскитных солнечных элементах. Они решили окислить, не слой spiro-OMeTAD, а исходный раствор, пропустив через него кислород O₂ и углекислый газ CO_2. Согласно их плану, реакция окисления должна в таких условиях должна пройти быстрее, а главное — без вреда для других частей будущего солнечного элемента.
Использование углекислого газа в качестве окислителя — не самая тривиальная идея, однако авторы провели теоретические расчеты и выяснили, что потенциала восстановления CO₂ до CO₂^- достаточно для того, чтобы забрать электрон с молекулы spiro-OМeTAD.
Осуществить реакцию на практике несложно — достаточно добавить к раствору spiro-OMeTAD соль лития и пропустить кислород или углекислый газ в течение одной минуты, облучая раствор ультрафиолетом. В случае СО₂ допирование происходит даже с большим выходом, чем в случае кислорода. Главной причины Тейлор и его коллеги считают лучшую растворимость СО₂ в хлорбензоле, в котором проводили реакцию.

Перед нанесением слоев spiro-OMeTAD на солнечный элемент растворы профильтровали. Дело в том, что при окислении spiro-OMeTAD получаются побочные продукты — при обработке кислородом оксид лития, а при обработке углекислым газом — карбонат лития и уголь (финальный продукт восстановления углекислого газа). Когда слой spiro-OMeTAD окисляют на воздухе, побочные продукты остаются на поверхности слоя и могут ухудшать работу солнечного элемента, но в данном случае у авторов появилась возможность от них избавиться. Правда в случае обработки кислородом отделить ничего не удалось — полученный оксид лития частично растворялся в хлорбензоле, либо его частицы были слишком малы и проходили через поры фильтра. А вот в случае обработки углекислым газом, Тейлор и его коллеги смогли отделить осадок и выяснили, что он на 79 процентов состоит из карбоната лития, на котором осели частички углерода и фрагменты более сложных органических молекул.

Слой spiro-OMeTAD, обработанного газообразным СО₂ имел проводимость 4_.91 × 10⁻⁵ сименс на сантиметр — это почти в три раза больше, чем у spiro-OMeTAD, полученного традиционным способом на воздухе, в пять раз больше, чем у spiro-OMeTAD, обработанного кислородом и в сто раз — чем у spiro-OmeTAD, который вообще никак не подготавливали. Эффективность солнечного элемента с СО₂- spiro-OmeTAD тоже оказалась самой высокой — 19,1 процента. Более того, солнечные элементы с СО₂ оказались самыми стабильными — сохранили более 80 процентов своей эффективности после 500 часов работы. Причина такой высокой стабильности — удаление большей части ионов лития. Такие ионы могут продвигаться внутрь активного слоя и вступать в реакцию с перовскитом — то есть портить солнечный элемент. Поэтому процедура, предложенная Тейлором и его коллегами вдвойне полезна: она позволяет не только сократить время изготовления перовскитных солнечных элементов, но и сделать их эффективнее и стабильнее за счет очистки из транспортного слоя от лишнего лития.

В апреле мы писали о том, как швейцарские химики повысили эффективность и стабильность перовскитных солнечных элементов с помощью добавок формиата. Ионы формиата заполняют вакансии ионов иода на границе перовскитных кристаллов, а также замедляют скорость кристаллизации перовскита, поэтому вместо множества мелких кристаллитов формируются один крупный.

Наталия Самойлова