Шаблонный подход стабилизирует «идеальный» перовскит для дешевых и эффективных солнечных элементов

Исследователи разработали метод стабилизации перспективного материала, известного как перовскит, для дешевых солнечных батарей без ущерба для его практически идеальных характеристик.

Исследователи из Кембриджского университета использовали органическую молекулу в качестве "шаблона", чтобы направлять пленки перовскита в нужную фазу по мере их формирования. О результатах исследования сообщается в журнале Science.

Идеальные перовскитовые материалы

Перовскитовые материалы являются более дешевой альтернативой кремнию для производства оптоэлектронных устройств, таких как солнечные батареи и светодиоды.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Существует множество различных перовскитов, полученных в результате различных комбинаций элементов, но одним из наиболее перспективных, появившихся в последние годы, является формамидиниум (FA) на основе FAPbI₃.

Это соединение термически стабильно, а присущая ему "полоса пропускания" - свойство, наиболее тесно связанное с энергоотдачей устройства, - не так уж далека от идеала для фотоэлектрических устройств.

По этим причинам оно было в центре внимания при разработке коммерчески доступных перовскитовых солнечных элементов. Однако это соединение может существовать в двух немного отличающихся фазах, одна из которых приводит к превосходным фотоэлектрическим характеристикам, а другая - к очень низкому выходу энергии.

"Большая проблема с FAPbI₃ заключается в том, что нужная вам фаза стабильна только при температурах выше 150 °C".

Недавние решения по поддержанию материала в нужной фазе при более низких температурах заключались в добавлении в соединение различных положительных и отрицательных ионов.

"Это было успешным и привело к созданию рекордных фотоэлектрических устройств, но при этом все равно происходят локальные потери энергии", - говорит Доэрти. "В итоге в пленке появляются локальные области, которые находятся не в той фазе, в которой нужно".

Мало что было известно о том, почему добавление этих ионов улучшает стабильность в целом, или даже как выглядит полученная структура перовскита.

"Существовало общее мнение, что когда люди стабилизируют эти материалы, они представляют собой идеальную кубическую структуру", - говорит Доэрти. "Но мы показали, что, добавляя все эти другие элементы, они вовсе не кубические, а очень незначительно искаженные. Существует очень тонкое структурное искажение, которое придает некоторую стабильность при комнатной температуре".

Искажение настолько незначительно, что ранее оно оставалось незамеченным, пока Доэрти с коллегами не использовали чувствительные методы измерения структуры, которые не были широко распространены в перовскитовых материалах.

Команда использовала дифракцию сканирующих электронов, дифракцию нанорентгеновских лучей и ядерный магнитный резонанс, чтобы впервые увидеть, как на самом деле выглядит эта стабильная фаза.

"Как только мы выяснили, что именно небольшое структурное искажение придает стабильность, мы стали искать способы добиться этого в процессе приготовления пленки без добавления каких-либо других элементов".

Соавтор Сатьяван Нагане использовал органическую молекулу под названием этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) в качестве добавки в раствор прекурсора перовскита, которая действует как шаблонный агент, направляя перовскит в нужную фазу по мере его формирования. ЭДТА связывается с поверхностью FAPbI₃, обеспечивая структурно-направляющий эффект, но не встраивается в FAPbI₃.

"С помощью этого метода мы можем достичь желаемого зазора, потому что мы не добавляем ничего лишнего в материал, это просто шаблон для формирования пленки с искаженной структурой - и полученная пленка чрезвычайно стабильна", - говорит Нагане.

"Таким образом, вы можете создать эту слегка искаженную структуру только в нетронутом соединении FAPbI3, не изменяя другие электронные свойства того, что по сути является практически идеальным соединением для перовскитной фотовольтаики", - сказал соавтор Доминик Кубицки из Кавендишской лаборатории, который сейчас работает в Уорикском университете.

Исследователи надеются, что это фундаментальное исследование поможет повысить стабильность и эффективность перовскита. Их собственная будущая работа будет включать интеграцию этого подхода в прототипы устройств, чтобы изучить, как эта техника может помочь им достичь идеальных перовскитных фотоэлектрических элементов.

"Эти результаты меняют нашу стратегию оптимизации и производственные рекомендации для этих материалов", - говорит старший автор исследования доктор Сэм Стрэнкс с факультета химической инженерии и биотехнологии Кембриджа. "Даже небольшие участки с незначительным искажением приведут к снижению производительности, поэтому производственные линии должны очень точно контролировать, как и где осаждаются различные компоненты и "искажающие" добавки. Это позволит добиться того, что небольшое искажение будет равномерным везде - без исключений".

Работа проводилась в сотрудничестве с Diamond Light Source и Центром визуализации электронных физических наук (ePSIC), Имперским колледжем Лондона, Университетом Йонсей, Вагенингенским университетом и исследовательским центром, а также Университетом Лидса. опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Лучшие публикации в Telegram-канале Econet.ru. Подписывайтесь!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet