Диоксид олова помог сделать эффективные перовскитные солнечные элементы

Корейские и швейцарские материаловеды заменили в перовскитном солнечном элементе транспортный слой диоксида титана на слой диоксида олова с добавками полиакриловой кислоты. В результате скорость нежелательной безызлучательной рекомбинации снизилась на 80 процентов, а экстракция электронов стала более эффективной. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Для извлечения электронов в перовскитных солнечных элементах используют полупроводник диоксид титана (TiO₂). Обычно этот слой делают двойным — на проводящую подложку наносят так называемый компактный слой диоксида титана, а поверх него — более объемный пористый слой из наночастиц того же самого диоксида титана. Такая структура служит подложкой для формирования главного перовскитного слоя, а большая площадь контакта между перовскитом и наночастицами помогает извлекать электроны более эффективно. Однако, у наночастиц диоксида титана есть и недостатки. Подвижность электрона в этом материале ограничена, а сами частицы могут становиться центрами безызлучательной рекомбинации, а иногда даже фотокаталитическими центрами, запускающие реакции распада перовскита. Кроме того, чтобы слой TiO₂ хорошо закристаллизовался, нужны высокие температуры (более 400 градусов Цельсия).

Корейские и швейцарские ученые под руководством одного из пионеров перовскитных исследований Майкла Гретцеля (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны решили заменить наночастицы диоксида титана на наночастицы другого схожего по свойствам полупроволника — диоксида олова (SnO₂).
Ученые нанесли на проводящую подложку стандартный компактный слой TiO₂, а поверх него — слой наночастиц SnO_2. На слой SnO₂ нанесли активный слой из перовскита FAPbI₃ (FA — катион формамидиния), затем дырочно-транспортный слой и золотой электрод.

Чтобы сделать слой SnO₂ более однородным, в него добавили полиакриловую кислоту (PAA). Эта добавка также обеспечивает лучший контакт с компактным слоем TiO₂ за счет образования водородных связей.

Замена электрон-транспортного слоя помогла повысить эффективность солнечных элементов. Лучшая ячейка со слоем PAA/SnO₂ демонстрировала эффективность 25,4 процента, а лучшая ячейка со слоем TiO₂ — только 23,7 процента. Такое заметное улучшение имеет несколько причин. Во-первых, слой PAA/SnO₂ поглощает и рассеивает меньше света, позволяя свету проходить дальше в активный слой. Кроме того, подвижность электронов в слое PAA/SnO₂ оказалась выше, чем в слое TiO₂. А вот скорость нежелательного процесса — безызлучательной рекомбинации — в PAA/SnO₂ наоборот стала ниже на восемьдесят процентов. Это значит, что больше электронов стало попадать на электроды вместо того, чтобы рекомбинировать в транспортном слое.

Авторы также получили перовскитные ячейки большей площади — прототипы настоящих промышленных солнечных модулей. Для них улучшение эффективности оказалось даже более заметным: эффективность ячеек площадью 64 квадратных сантиметра с PAA/SnO₂ доходила до 20,5 процентов, а эффективность контрольных образцов такого же размера не поднималась выше 16 процентов.

Стабильность солнечных элементов тоже улучшилась: ячейки со слоем PAA/SnO

после 700 часов работы сохраняли более 70 процентов исходной эффективности, в то время, как эффективность ячеек со стандартным электрон-транспортным слоем за то же время снизилась почти вдвое. Тем не менее, такая стабильность все еще заметно ниже

стабильности для перовскитных ячеек. В дальнейшем авторы работы намерены сосредоточиться именно на повышении стабильности.

В конце прошлого года ученые из тринадцати стран

, чтобы создать первую открытую базу данных по перовскитным солнечным элементам. База уже содержит информацию о более чем сорока тысячах устройств, и авторы приглашают всех желающих добавлять в нее новые данные.