Антиоксидант из помидоров продлил жизнь солнечным элементам

Китайские ученые стабилизировали перовскитные солнечные элементы с помощью антиоксиданта ликопина, который содержится в помидорах и грейпфрутах. Изначально ликопин добавили для того, чтобы он блокировал свободные радикалы и предохранял перовскиты от окисления. Однако у ликопина обнаружилось и другое полезное свойство — способность пассивировать ловушки и улучшать кристалличность перовскита. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Energy Materials.

Эффективность перовскитных солнечных элементов за десять лет увеличилась с 3,8 до 25,2 процента. Такие солнечные элементы просты в получении, дешевы и могут использоваться как самостоятельно, так и в качестве верхней полупрозрачной части тандемных солнечных элементов. Главной проблемой перовскитных ячеек остается недостаток стабильности. Под действием солнечного света, высокой температуры, кислорода и воды перовскиты деградируют — в них ухудшается экстракция заряда из активного слоя на электроды, а на более поздних этапах происходит окисление и разрушение кристаллической решетки перовскита. Сейчас ученые активно ищут способы для стабилизации таких солнечных элементов.

Китайские материаловеды под руководством Хунвэя Суна (Hongwei Song) из Цзилиньского университета решили использовать для стабилизации перовскитных солнечных элементов природный антиоксидант ликопин. Ликопин — это каротиноидный пигмент красного цвета, нециклический изомер другого антиоксиданта бета-каротина. Ликопин содержится в различных красных плодах, например, в шиповнике, помидорах и грейпфрутах (но его нет в вишне и клубнике), и используется, в том числе, как пищевой краситель. Это длинный линейный углеводород, содержащий тринадцать двойных связей углерод-углерод, из которых одиннадцать — сопряженные, то есть образуют единую систему π-электронов. Такое строение помогает ликопину блокировать свободные кислород-содержащие радикалы. Сун и его коллеги предположили, что добавка ликопина поможет остановить окисление перовскита и продлить жизнь солнечному элементу.

Ученые работали с перовскитом состава Cs_0.05(FA_0.83MA_0.17)_0.95PbI_0.83Br_0.17 (CsFAMA). Ликопин добавляли непосредственно в активный слой солнечного элемента. Попробовав составы с разным количеством ликопина, Сун и его коллеги остановились на концентрации в 0,01 массового процента.

Помимо улавливания свободных радикалов, у добавок ликопина обнаружилось еще одно полезное свойство — улучшать кристалличность перовскитных пленок. В образцах с ликопином средний размер перовскитных кристаллитов увеличился с 206 до 282 нанометров, сами пленки стали более однородными, а их поглощение (которое зависит от кристалличности) — выше.
Кроме того, просвечивающая электронная микроскопия показала, что ликопин координируются на границах кристаллитов, обеспечивая пассивацию граничных ловушек. Ловушками в полупроводниках называют вакансии атомов, примесные атомы и другие дефекты, которые блокируют движение носителей заряда и снижают эффективность солнечного элемента. Однако на этом вред ловушек не заканчивается — в областях с большим количеством ловушек быстрее начинаются процессы окисления и деградации перовскитной решетки. Чтобы узнать количество ловушек в пленках, можно измерить время затухания фотолюминесценции — чем больше ловушек, тем чаще происходит процесс безизлучательной рекомбинация носителей заряда, и тем быстрее затухает люминесценция. После добавки ликопина время затухания фотолюминесценции увеличивалось более, чем вдвое — с 176 до 386 пикосекунд.

После оптимизации всех параметров добавка ликопина позволила поднять эффективность перовскитного солнечного элемента с 20,6 до 23,6 процента. Стабильность тоже ожидаемо улучшилась: ячейки с ликопином проработали 3500 часов, сохранив более 92 процентов своей начальной эффективности. Эффективность элементов без добавок в тех же условиях снизилась вдвое уже за первые 2000 часов.
Так как ликопин доступен и недорог, новый метод можно будет легко масштабировать и для стабилизации промышленных солнечных модулей.

В конце мая мы писали о том, как китайские, японские и швейцарские химики стабилизировали катоды перовскитных солнечных элементов с помощью двойного графенового покрытия и получили солнечные элементы, которые могут проработать 5000 часов. Внешний слой графена защищает солнечный элемент от кислорода и воды, а внутренний замедляет ионную миграцию.

Наталия Самойлова