Нагрев в анизоле повысил эффективность и стабильность солнечных элементов

Китайские и американские материаловеды предложили погружать перовскитные солнечные элементы в горячий анизол. Такой способ позволяет быстрее нагревать перовскитные слои и способствует росту крупных кристаллитов. В результате солнечные элементы становятся эффективнее и стабильнее, а процесс их получения — более воспроизводимым. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Одним из главных преимуществ перовскитных солнечных элементов считается простота их изготовления. В отличие от кремниевых ячеек, для которых нужен кремний, получаемый в результате многостадийного процесса очистки, перовскитные ячейки можно изготовить с помощью самого простого лабораторного оборудования. Концентрированный раствор иодида свинца PbI₂, иодида метиламмония MAI и иодида формамидиния FAI наносят на подготовленные проводящие подложки методом спин-коатинга. Подложки нагревают на лабораторной электроплитке до температуры 100-180 градусов Цельсия — это нужно, чтобы перовскит полностью закристаллизовался, а остатки растворителя испарились. После этого активный слой будущего солнечного элемента готов к работе, остается лишь нанести сверху транспортный слой и контакты.

Тем не менее даже в этом простом процессе есть множество нюансов. Во-первых, чтобы солнечный элемент был эффективным, нужны большие кристаллиты перовскита. Чтобы добиться этого, ученые пытаются увеличить скорость роста кристаллитов и одновременно подавить образование новых центров кристаллизации. Кроме того эффективные солнечные элементы получаются из перовскитов сложного состава — самый популярный перовскит имеет состав FA_1-x-yMA_xCs_yPbI_3-zBr и содержит пять типов катионов и два типа анионов. Исходный раствор для такого перовскита может состоять из шести разных солей, и все они вступают в реакцию с немного разной скоростью. Поэтому, если нагревать подложку недостаточно быстро, состав перовскита в центре и на краях подложки будет отличаться. И наконец, кристаллизующиеся перовскиты очень чувствительны к загрязнениям: например, следам воды и других растворителей в атмосфере. Все это делает процесс получения перовскитных ячеек плохо воспроизводимым: на их эффективность влияет размер и качество подложек, погодные условия в лаборатории и другие факторы.

Китайские и американские материаловеды под руководством Хуаня Пина Чжоу (Huanping Zhou) из Пекинского Университета предложили получать перовскитные слои с помощью обжига в горячей жидкости (Liquid Medium Annealing, LMA). Авторы предположили, что погружение в горячую жидкость поможет нагревать подложки быстрее и предохранит их от загрязнений.

Чжоу и его коллеги работали с перовскитом состава (Cs_0.05(FA_0.95MA_0.05)_0.95Pb(I_0.95Br_0.05)₃. Они так же готовили раствор солей в диметилсульфоксиде и наносили его на подложки методом спин-коатинга, на три минуты опускали подложки в емкость с анизолом, который был предварительно разогрет до 150 градусов Цельсия. Анизол авторы посчитали практически идеальным реагентом для LMA-обработки — он хорошо проводит тепло, имеет низкую вязкость, стабилен при высоких температурах и не взаимодействует с перовскитом.

Как и ожидали авторы, скорость нагрева при LMA-обработке оказалась заметно выше — образец в анизоле нагревался до 141 градуса Цельсия за четыре секунды, а на стандартной электроплитке — только за тринадцать секунд. Высокая скорость нагрева помогла ученым получить однородный по составу перовскитный слой.. Кроме того оказалось, что нагревание в анизоле помогает избавиться от следов растворителя.
Чжоу и его коллеги особо отметили, что при LMA-обработке нагрев происходит не снизу вверх, а со всех сторон равномерно — это создает лучшие условия для роста кристаллитов. С помощью LMА-обработки авторам удалось получить кристаллиты диаметром 2,25 микрометра — почти втрое больше, чем в контрольных образцах, которые обжигали на электроплитке.

Сначала авторы опробовали новый метод на стандартных лабораторных солнечных элементах площадью 0,08 см

, и получили ячейки с эффективностью 24,04 процента , которые сохраняли 0,95 своей исходной эффективности после 2000 часов работы. Более крупные ячейки площадью в один квадратный сантиметр имели эффективность немного ниже — 23,15 процента. Стабильность оказалась тоже весьма достойной — спустя 1120 часов работы ячейки потеряли лишь десятую часть эффективности. Авторы отмечают, что ранее никому не удавалось получить ячейки сантиметрового и миллиметрового размера с такой незначительной разницей в эффективности, то есть LMA-обработка помогает сделать процесс более воспроизводимым. Чтобы подтвердить последний тезис, ученые провели еще один эксперимент. В течение года они готовили по две партии солнечных элементов — с помощью LMA-обработки, и с помощью обжига на электроплитке. Эффективность ячеек, приготовленных на электроплитке, заметно менялась в зависимости от погодных условий: выше всего она была зимой в сухую и прохладную погоду, а ниже всего — летом, в жаркую и влажную погоду. Эффективность ячеек, которые делали с помощью LMA-обработки, оставалась высокой вне зависимости от погодных условий.

Авторы надеются, что в дальнейшем их метод можно будет использовать и для изготовления промышленных перовскитных модулей.

В июне мы 

о новом простом способе получения транспортных слоев для перовскитных солнечных элементов, который предложили американские материаловеды. Оказалось, что вместо длительного выдерживания можно пропустить через раствор исходного соединения углекислый газ в течение одной минуты. Этот способ позволяет также избавиться от излишков ионов лития, поэтому солнечные элементы становятся стабильнее.

Наталия Самойлова