Два слоя графена помогли перовскитным солнечным элементам проработать 5000 часов

Китайские, японские и швейцарские материаловеды стабилизировали катоды перовскитных солнечных элементов с помощью двойного покрытия из графена. Внешний слой графена защищает солнечный элемент от кислорода и воды, а внутренний предотвращает ионную миграцию. Полученные солнечные элементы проработали 5000 часов, сохранив 95 процентов начальной эффективности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.

Стабилизация перовскитных солнечных элементов — задача непростая. Даже если удалось остановить деградацию самого перовскита, проблемы могут прийти с другой стороны, например, со стороны металлического катода. Два самых популярных катодных материала — серебро (Ag) и алюминий (Al) — вступают в реакцию с ионами иода, мигрирующими из активного слоя. Золото (Au) вступает в реакцию с иодом медленнее, однако ионы золота сами мигрируют в активный слой, и вытесняют свинец (Pb) из перовскитной решетки. К тому же использование золотых и серебряных электродов повышает стоимость солнечного элемента, фактически отнимая у перовскитов их главный козырь — доступность.

Хорошей альтернативой могут стать аноды из меди (Cu). Этот металл относительно стабилен по отношению к перовскитам и продуктам их распада. Однако, работа выхода электрона (4,65 электронвольт) недостаточна, чтобы использовать медь в качестве катода для перовскитных солнечных элементов. В эффективности такие солнечные элементы заметно уступают аналогам с серебряными и золотыми катодами. К тому же медь вступает в реакцию с водой и воздухом, образуя основный карбонат меди Cu₂(OH)₂CO₃.

Большой шаг вперед в разработке оптимального катода сделали японские, китайские и швейцарские материаловеды под руководством Ли Юань Хана (Liyuan Han) из Шанхайского университета транспорта. Ученые изготовили электрод из медно-никелевого сплава и покрыли его двойным слоем графена — и изнутри, в месте контакта c перовскитом, и снаружи. Внешний слой графена нужен, чтобы защитить солнечный элемент от кислорода и воды, а внутренний — чтобы замедлить ионную миграцию. А добавки никеля не только позволяют увеличить работу выхода электрона до нужных значений, но и облегчают нанесение графеновых слоев на медь.

Сначала авторы получили сам медно-никелевый электрод с помощью магнетронного распыления с последующим отжигом при температуре 1000 градусов Цельсия в восстановительной атмосфере. Метод энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии подтвердил, что никель распределяется равномерно, а его содержание держится в диапазоне 17-19 мольных процентов.

Графеновые слои нанесли методом химического осаждения из газовой фазы. В качестве источника углерода использовали метан. Ученые сравнили три разные скорости нанесения, и в итоге остановились на промежуточной скорости (10 миллилитров в минуту), так как она давала наиболее однородный монослой графена.

Работа выхода электрона для модифицированного катодного материала (CNG, Cu/Ni/graphene) оказалась равна 5,11 электронвольт — такое значение уже вполне подходит для экстракции «дырок» из активного слоя перовскитного солнечного элемента. В результате Хан и его коллеги получили перовскитные солнечные элементы с эффективностью 24,34 процента — лишь немногим меньше, чем у контрольных образцов с серебряным катодом (24,65 процента).

Графеновое покрытие делает внешнюю поверхность электрода более гидрофобной — краевой угол смачивания возрастает с 75 до 102 градусов. Благодаря этому вода не растекается по поверхности электрода и не проникает внутрь. Даже, когда на CNG электрод наносили каплю воды и оставляли на 24 часа (обычно с солнечными элементами этого не происходит, они защищены стеклянным инкапсулирующим слоем), перовскит под ним все еще сохранял черный цвет. В контрольном образце с серебряным электродом перовскит полностью пожелтел — то есть превратился в иодид свинца PbI₂.

Главная роль внутреннего графенового слоя — защита от ионной миграции. Чтобы выяснить, насколько эффективной получилась эта защита, Хан и его коллеги использовали элементный анализ. Они взяли солнечные элементы, проработавшие 1000 часов и исследовали их элементный состав с помощью метода масс-спектрометрии вторичных ионов. В устройствах с серебряным катодом ионы иона были обнаружены во всех слоях, то есть миграция иода распространилась даже на верхнюю часть катода. А вот CNG-катоды практически не содержали иода.

Солнечные элементы с защитными графеновыми слоями сохраняли 95 процентов изначальной эффективности после 5000 часов работы. Стабильность в условиях повышенной влажности тоже ожидаемо возросла — устройства сохраняли 97 процентов эффективности после нагревания до температуры 85 градусов Цельсия при относительной влажности 85 процентов.

В феврале мы писали об исследовании химиков из Саудовской Аравии и Тайваня. Ученые добавили в перовскитные солнечные элементы защитный слой из 2D-перовскита и получили международный сертификат стабильности IEC61215:2016.

Наталия Самойлова