Исследователи разработали молекулярные добавки, позволяющие продлить срок службы перовскитовых солнечных элементов и снизить их стоимость в четыре раза по сравнению с современными тонкопленочными солнечными элементами. Эти добавки, известные как "пассиваторы дефектов", значительно замедляют деградацию полупроводниковых пленок перовскита. Это может помочь повысить долговечность фотоэлектрических панелей и одновременно увеличить их конкурентоспособность на рынке энергетических технологий.
В связи с тем, что мир стремится к углеродной нейтральности, спрос на "зеленые" энергетические технологии постоянно растет. Среди наиболее широко используемых — фотоэлектрические панели, которые, как ожидается, к 2050 году будут производить 4 500 гигаватт-часов энергии по всему миру.
Большинство фотоэлектрических панелей, представленных на рынке в настоящее время, состоят из кристаллических кремниевых солнечных элементов. Однако "кремниевые солнечные элементы превосходны, потому что они очень эффективны и могут служить очень долго, но их производство очень дорого", — говорит Сивен Гонг из Мичиганского университета. Ведь "для производства кремния высокой чистоты необходимы температуры выше 1000°C. В противном случае эффективность будет низкой", — добавляет он. Это влечет за собой значительные финансовые и экологические издержки.
Для преодоления этих проблем в настоящее время изучаются альтернативные фотоэлектрические материалы, такие как металлогалогенные перовскиты (подгруппа органических и неорганических гибридных перовскитов, содержащих галогенные ионы, такие как йодид или бромид), благодаря их лучшему соотношению цены и качества. В частности, эти материалы обладают превосходными оптическими и электрическими свойствами, а их производство обходится примерно в два раза дешевле, чем производство кристаллических кремниевых полупроводников. Кроме того, их можно комбинировать с полупроводниками на основе кремния, что позволит превысить максимальную теоретическую эффективность кремниевых солнечных батарей.
Однако срок службы существующих перовскитных материалов слишком ограничен, чтобы быть коммерчески конкурентоспособным для применения в солнечных батареях. Более того, эти материалы особенно подвержены деградации под воздействием условий окружающей среды, которым обычно подвергаются солнечные батареи (тепло, влажность, обратная поляризация).
В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Matter, Гонг и его коллеги попытались разработать более устойчивые металлогалогенные перовскитовые солнечные элементы. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что добавление в перовскиты молекул, "устраняющих дефекты", может повысить их стабильность и срок службы. Другими словами, исследование предоставляет ключевую информацию для предотвращения деградации перовскитовых полупроводников. Исследователи также считают, что это потенциально может привести к созданию новых солнечных батарей в 2-4 раза дешевле, чем нынешние тонкопленочные солнечные элементы.
Дефекты в кристаллах перовскита связаны с наличием атомов свинца, которые не полностью связаны с другими элементами, из которых они состоят. Эти недокоординированные участки приводят к разрывам в кристаллической решетке, препятствуя движению электронов внутри нее и ускоряя деградацию материала.
Предыдущие исследования показали, что можно уменьшить эти дефекты, введя в состав молекул "пассивирующие" молекулы, которые блокируют субординированные связи. Пассивация — это состояние металла или сплава, при котором скорость его коррозии значительно замедляется. Таким образом, пассивирующие добавки предотвращают образование других дефектов (и, следовательно, деградацию) под воздействием таких раздражителей, как тепло.
Однако каким именно образом эти молекулы могут способствовать устойчивости перовскитовых полупроводников, было недостаточно ясно. "Мы хотели определить, какие именно характеристики молекул повышают стабильность перовскита", — объясняет ведущий автор нового исследования Хонки Ким из Мичиганского университета.
Для этого команда разработала три молекулярные добавки, содержащие одни и те же химические элементы, но отличающиеся по форме, размеру, весу и конфигурации. Затем они были добавлены в тонкие пленки металлогалогенного перовскита, чтобы измерить силу сцепления с ними. Этот параметр определяет скорость образования дефектов в материале.
Было обнаружено, что более массивные молекулы лучше прилипают к материалу, поскольку у них больше мест связывания, которые могут взаимодействовать с кристаллами перовскита. Это означает, что они способны ослаблять дефекты и предотвращать деградацию. Кроме того, крупные молекулы приводят к образованию более крупных зерен перовскита, повышая тем самым прочность материала.
Нагрев перовскитовые пленки с добавками до 200 °C, исследователи смогли подтвердить, что более крупные молекулы способствовали лучшему сохранению грифельно-черного цвета, что свидетельствует о меньшем количестве структурных дефектов в солнечных элементах.
"Размер и конфигурация важны при разработке добавок, и мы считаем, что эта философия дизайна может быть реализована в различных перовскитных составах для дальнейшего улучшения срока службы перовскитных солнечных элементов, электролюминесцентных устройств и фотоприемников", — говорит соавтор исследования Карлос Алехандро Фигероа Моралес, также из Мичиганского университета.
Кроме того, результаты исследования позволят создать основу для систематического определения лучших добавок для перовскитовых солнечных элементов, что поможет сэкономить значительное время на исследования.