Китайские материаловеды разработали санскрин для перовскитных солнечных элементов

Китайские материаловеды научились защищать перовскитные солнечные элементы от ультрафиолетового излучения. Ученые выяснили, что больше всего от ультрафиолета страдает не сам перовскит, а располагающийся над ним тонкий транспортный слой. Они изменили этот слой, скрепив молекулы друг с другом и с вышележащим электродом. В результате получился элемент с эффективностью 27,1 процента, который проработал под ультрафиолетовым излучением 2000 часов, сохранив 90 процентов начальной эффективности. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Перовскитные солнечные элементы показывают хорошую эффективность как самостоятельно, так и в тандеме с кремниевым элементом. Однако их стабильность все еще оставляет желать лучшего. Перовскиты чувствительны к влажности, высокой температуре, а еще к ультрафиолетовому излучению (УФ) — самым «горячим» фотонам с длиной волны менее 380 нанометров. Естественный солнечный свет содержит в себе до 10 процентов ультрафиолета, поэтому очень важно сделать перовскиты устойчивее к этому типу излучения.

Продвинуться к решению этой проблемы сумели китайские материаловеды под руководством Цина Чжао (Qing Zhao) из Пекинского Университета. Все элементы они тестировали без защитного стекла. Такое стекло заметно повышает устойчивость ко всем видам воздействия и предотвращает утечку свинца из перовскитов. В коммерческих перовскитных ячейках оно неизменно присутствует. Чжао и его коллеги хотели провести ускоренную деградацию элементов, поэтому намеренно отказались от стекла.

Сначала ученые подробно изучили механизм деградации устройств. Они подготовили две группы перовскитных элементов: одну группу облучали искусственным светом, из которого была вырезана УФ-часть, а вторую — естественным светом в таких же условиях. Как и ожидалось, естественный свет воздействовал на перовскиты сильнее: они потеряли более 70 процентов начальной эффективности за 350 часов эксперимента. В эксперименте с вырезанной УФ-частью ячейки сохраняли 95 процентов начальной эффективности. После этого все облученные ячейки изучили методами конфокальной флуоресцентной и атомно-силовой микроскопии. Здесь Чжао и его коллег ждали неожиданные результаты: перовскитный слой в обоих случаях практически не пострадал, зато ультрафиолет вызвал заметные изменения в транспортном слое — очень тонком (толщиной буквально в несколько молекул) слое органического соединения MeO-2PACz на основе карбазола с фосфоновой группой. Он располагается между прозрачным верхним электродом и самим перовскитом и нужен для более эффективной передачи электронов из активного слоя в цепь. Моделирование методами ab initio подтвердило, что слабым звеном оказался транспортный слой. Под действием ультрафиолета его молекулы деформировались и теряли связи с электродом.

Чтобы сделать транспортный слой стабильнее, исследователи применили одновременно два подхода. Связь с электродом укрепили, добавив к каждой молекуле вторую фосфоновую группу: теперь каждая молекула цеплялась за поверхность не одной, а двумя «руками». Кроме того, ученые привязали каждую молекулу и к соседним: добавили кросс-линкеры, которые соединили весь слой в двухмерную полимерную сеть.

Оптимизировав все условия, Чжао и его коллеги получили элементы с эффективностью 27,1 процента — это чуть ниже рекорда для соло-перовскитной ячейки (сейчас он составляет 28 процентов), но результат очень достойный. Устройства проработали более 2000 часов под естественным светом с содержанием ультрафиолета, потеряв только 10 процентов своей эффективности. Образцы из контрольной группы со неизмененным транспортным слоем в тех же условиях потеряли более половины эффективности уже за первые 300 часов. Кроме того, улучшилась и термическая стабильность: элементы переживали нагрев до 65 градусов Цельсия в течение 2200 часов, сохранив более 98 процентов своей начальной эффективности.

В прошлом году мы писали о работе другой группы китайских ученых, которые вырастили запирающий слой с более широкой запрещенной зоной на каждом зерне перовскита. Это позволило остановить утечку дырок и получить светоизлучающий диод с рекордной яркостью и эффективностью.