Двумерный перовскит помог солнечному элементу проработать 1200 часов в тепле и влажности

Химики из Саудовской Аравии и Тайваня добавили в перовскитные солнечные элементы защитный слой из 2D-перовскита. Солнечные элементы с такими защитными слоями проработали более 1200 часов при температуре 85 градусов Цельсия и относительной влажности 85 процентов и получили международный сертификат стабильности IEC61215:2016. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

По эффективности перовскитные солнечные элементы уже сравнялись с лидерами рынка — кремниевыми солнечными элементами — а вот в стабильности все еще существенно уступают. Кремниевые батареи работают по двадцать-тридцать лет, практически не теряя эффективности, а перовскитные лишь недавно преодолели отметку в один год.

Для улучшения стабильности перовскитов ученые постоянно ищут новые подходы. Тестировать каждый новый вариант в режиме реального времени неудобно (в этом случае на подготовку очередной статьи уходило бы несколько лет) поэтому ученые используют процедуры так называемого ускоренного состаривания. Чтобы процесс деградации перовскита шел быстрее, элементы испытывают в жестких условиях: облучают концентрированным солнечным светом, выдерживают при повышенной температуре и влажности.

Например, международный сертификат IEC61215:2016 получают солнечные элементы, которые выдерживают 1000 часов непрерывной работы при температуре 85 градусов Цельсия и относительной влажности 85 процентов, потеряв не более пяти процентов от изначальной эффективности.

Получить такой сертификат для перовскитов сумели ученые из Саудовской Аравии и Тайваня под руководством Стефана де Вольфа (Stefaan De Wolf) из научно-технического Университета имени короля Абдаллы. Чтобы добиться высокой стабильности ученые использовали два подхода.

Во-первых, они улучшили упаковку элементов: защитные стекла скрепляли между собой с помощью вакуумного ламинирования, а края дополнительно запечатали бутилкаучуком, чтобы предохранить перовскит даже от самых незначительных количеств воды и кислорода извне. Однако, этого оказалось недостаточно. Первые испытания показали, что даже полностью изолированные от влажного воздуха перовскиты все равно деградируют под действием электрического поля и тепла.

Процесс деградации перовскита чаще всего начинается на границе активного слоя, где больше всего дефектов — примесных атомов, вакансий и других повреждений кристаллической решетки. Кроме того, под действием электрического поля в материале может происходить ионная миграция: положительно заряженные ионы постепенно продвигаются к катоду, отрицательно заряженные — к аноду. Чтобы остановить эти процессы, авторы вставили между перовскитным слоем и электрон-транспортным слоем еще один защитный слой. Этот слой состоял из того же самого перовскита, но был очень тонким — всего в один слой перовскитных октаэдров. О высокой стабильности подобных структур (их еще называют 2D-перовскитами) ученые знают уже давно. Однако, де Вольф и его коллеги попробовали разобраться в этом вопросе более глубоко и подобрать оптимальный защитный слой для солнечного элемента.

Чтобы получить на поверхности стандартного 3D-перовскита защитный слой из 2D-перовскита, достаточно обработать поверхность раствором иодида олеиламмония в хлороформе. Катион олеиламмония состоит из фрагмента аммония и длинного «хвоста» олеиновой кислоты. Фрагмент аммония встраивается в перовскитную APbX₃ решетку в позицию крупного катиона А, а хвосты олеиновой кислоты остаются снаружи, изолируя отдельные перовскитные слои друг от друга. Меняя температуру, ученые получили защитные слои разной толщины: отжиг при температуре 100 градусов Цельсия приводил к образованию однослойных 2D-перовскитов, а при комнатной температуре, образовывались и однослойные и двухслойные (два слоя перовскитных октаэдров с прослойкой олеиламмония) 2D-перовскиты. Состав материала в глубине и на поверхности подтвердили с помощью люминесцентной спектроскопии, рентгеновской дифракции и просвечивающей растровой электронной микроскопии.

Эффективность солнечных элементов с двойными 2D-слоями стала выше по сравнению с контрольной группой (24,3 процента против 22,3 процента). Причин у такого улучшения несколько: уменьшение безызлучательной рекомбинации на границе слоев и более эффективное извлечение зарядов. В случае одинарных 2D-слоев эффективность тоже повысилась, но совсем ненамного — до 22,8 процента.

А вот в стабильности улучшения были гораздо более заметные. Солнечные элементы с двойными 2D-слоями проработали 1250 часов при температуре 85 градусов Цельсия и относительной влажности 85 процентов, потеряв только четыре процента от изначальной эффективности. Солнечные элементы с одинарными 2D-слоями за то же время потеряли десять процентов эффективности — то есть их стабильности немного не хватило для получения IEC61215:2016 сертификата. Эффективность элементов из контрольной группы упала в тех же условиях в два с половиной раза.

Де Вольф и его коллеги получили защитные 2D-слой на поверхности четырех разных перовскитных материалов. Новый метод стабилизации прост и легко масштабируется, поэтому авторы полагают, что в будущем он найдет применение в производстве промышленных перовскитных модулей.

Получить сертификат IEC61215:2016 для перовскитных солнечных элементов сумели также австралийские химики летом 2020 года. Они разработали покрытие, которое предохраняло перовскиты элементы не только от влажности, но и от термического стресса. Ученые показали, что, если запечатать все газообразные продукты распада перовскита внутри солнечного элемента, через какое-то время в системе устанавливается равновесие и деградация перовскита останавливается.

Наталия Самойлова