Материаловеды получили трехслойный перовскитный солнечный элемент с рекордным напряжением

Китайские материаловеды получили трехслойный солнечный элемент перовскит-перовскит-кремний с рекордным напряжением 3,15 вольта. Ученые смогли подавить фазовую сегрегацию в верхнем перовскитном слое, добавив в него органическую соль. Устройство непрерывно проработало 1500 часов. Статья вышла в журнале Nature Communications.

Тандемные (двухслойные) солнечные элементы позволяют эффективнее использовать солнечный свет, поэтому и их эффективность выше, чем у стандартных кремниевых ячеек. Однако число слоев не обязательно ограничивается двумя. Можно добавить третий, четвертый и даже пятый фотоактивный слой. При этом чем выше расположен слой, тем шире должна быть его запрещенная зона: тогда фотоны распределятся по слоям в порядке уменьшения энергии, и суммарная эффективность будет максимальной. Трехслойные элементы на основе арсенида галлия и других полупроводников III–V уже активно используются в космосе и показывают эффективность более 40 процентов.

А вот с более дешевыми аналогами на основе перовскитов и кремния все не так радужно. Как правило, из кремния с шириной запрещенной зоны в 1,12 электронвольта делают нижний слой, а из перовскита второй и третий слои. Сложнее всего получить и стабилизировать третий слой, которому требуется ширина запрещенной зоны в 1,8 электронвольта и выше. Для увеличения ширины запрещенной зоны перовскита часть иода в решетке перовскита замещают на бром. Когда брома много, начинается фазовая сегрегация: ионы мигрируют в разные стороны и вместо однородного материала образуются области с разным составом: где-то больше брома, где-то больше иода. 

Получить эффективный и стабильный трехслойный перовскитный элемент сумели китайские материаловеды под руководством Хая Женя Таня (Hairen Tan) из Нанкинского Университета. В качестве нижнего слоя использовали кремниевую гетероструктурную ячейку с текстурированной поверхностью, над ней расположили перовскит с шириной запрещенной зоны 1,52 электронвольта, а для верхнего слоя использовали ультраширокозонный перовскит Cs_0,25FA_0,6MA_0,15Pb(I_0,43Br_0,57)₃ с запрещенной зоной 1,93 электронвольта. Именно этот верхний слой и был главным источником проблем со стабильностью. 

Чтобы остановить фазовую сегрегацию в перовските, Тань и его коллеги добавили органическую соль 1,4‑фенилендиамин дигидриодид (PEDAI). Она образует прочные связи с кристаллической решеткой и повышает барьер миграции ионов, делая слой более однородным. Кроме того, молекулы PEDAI заполняют пустоты и координируются с ионами свинца, уменьшая число дефектов в объеме перовскита. Поверхность слоя дополнительно обработали другой органической солью — 3MTPAI, которая уменьшила количество граничных дефектов и улучшила транспорт электронов.

В результате получилось устройство с эффективностью 26,18 процента (подтверждено независимой экспертизой, подробнее о таких процедурах можно прочитать здесь) и рекордным напряжением 3,15 вольта. Эффективность все еще заметно ниже, чем у двухслойных тандемов (они в этом месяце преодолели планку в 35,5 процента). Однако авторы полагают, что эффективность может быстро вырасти в ближайшие несколько лет. А вот стабильность уже на достойном уровне: устройства сохраняли 96 процентов своей начальной эффективности после 1500 часов непрерывной работы. Вероятно, предложенные Танем добавки солей можно будет использовать и для стабилизации стандартных двухслойных тандемов.

В прошлом месяце мы рассказывали о работе другой группы китайских материаловедов, которые разработали способ защиты перовскитных солнечных элементов от ультрафиолета. Оказалось, что при облучении больше всего страдает не перовскит, а тонкий транспортный слой сверху от него. Стабилизировав этот слой, авторы работы получили элемент, способный проработать под ультрафиолетом 2000 часов.