Китайские материаловеды стабилизировали перовскитно-кремниевый тандем с помощью бинарного двумерного пассиватора. Полученный солнечный элемент потерял менее двух процентов начальной эффективности после 1000 часов нагрева до 85 градусов Цельсия при относительной влажности 85 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Тандемные солнечные элементы кремний-перовскит состоят из двух солнечных элементов, расположенных друг под другом. Эффективность таких тандемов уже достигла 33,9 процента, но вот стабильность пока оставляет желать лучшего. Слабое звено в цепи — граница перовскитного слоя с расположенным сверху электрон-проводящим слоем. В этом самом горячем месте теряется больше всего энергии за счет рекомбинации электронов и дырок и отсюда же обычно начинается деградация перовскита.
Для защиты можно нанести на перовскит двумерные стабилизирующие слои другого перовскита. Такой слой-пассиватор запечатает границы зерен, что позволяет остановить ионную миграцию и снизить рекомбинацию электронов и дырок. Но иногда одновременно затрудняется транспорт электронов — это происходит из-за того, что проводимость двумерного слоя хуже, чем у исходного перовскита.
Решение проблемы нашли китайские материаловеды под руководством Ци Чэня (Qi Chen) из Пекинского Технологического Института. Ученые работали с перовскитом состава Cs0,235FA0,765Pb(I0,867Br0,133)3 с добавками 5 процентов MAPbCl3 (где FA — катион формамидиния, MA — катион метиламмония). Для стабилизации они использовали бинарный — то есть состоящую из двух разных видов перовскита — двумерный пассиватор. К одному из стандартных пассиваторов, иодиду олеиламмония, добавили хлорид гуанидиния, который имеет лучшие транспортные свойства. На практике получить такую бинарную двумерную фазу несложно: достаточно последовательно обработать поверхность перовскита двумя растворами. За образованием двумерного пассивирующего слоя авторы проследили с помощью методов рентгеновской дифракции и электронной микроскопии.
Затем Чэнь и его коллеги соединили перовскитную ячейку с кремниевой в двутерминальный тандем. Оптимизировав все условия, они добились эффективности 31,4 процента. Это меньше, чем рекордные 33,9 процента, но все еще очень достойный результат. Далеко не каждой группе, работающей с тандемами, удается достичь даже 30 процентов эффективности. У контрольного образца без добавок эффективность была почти на 4 процента ниже в тех же условиях.
Улучшения в стабильности были даже более впечатляющими. Тандемный солнечный элемент сохранял 96 процентов от своей начальной эффективности после 527 часов работы и 98 процентов — после 1000 часов теста 85-damp-heat (постоянный нагрев до температуры 85 градусов Цельсия при относительной влажности 85 процентов).
Таким образом, скомбинировав два двумерных пассиватора, Чэнь и его коллеги смогли найти баланс между пассивирующим эффектом и хорошими транспортными свойствами. При этом на практике получить бинарный двумерный слой можно так же быстро, как и стандартный, и стоимость солнечного элемента от этого тоже не увеличивается. Поэтому авторы предполагают, что их методика будет востребована для стабилизации тандемов, не только в лабораторных условиях, но и в промышленности.