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