Коллектив ученых из Уральского федерального университета, Сколковского института науки и технологий, Института проблем химической физики РАН и Национального университета Тайваня обнаружил, как увеличить стабильность солнечных батарей. Ученые исследовали структуры, в которых анионом служили галогены (йод и бром), одним из катионов — органические соединения (метиламмоний и формамидиний, цезий), другим катионом — свинец. Статья с описанием исследования опубликована в одном их престижнейших журналов Nano Energy.
Оптимизированные атомные структуры и схема одновременного образования межузельных дефектов и вакансий. Иллюстрация: Nano Energy.
Физики совершили прорыв сразу по нескольким направлениям. Исследуя гибридные перовскиты галогенидов свинца, они нашли механизм остановки их деградации. Стабилизация крайне важна, так как позволяет использовать перовскиты в качестве материалов-поглотителей в солнечных батареях.
«Обычно ограничиваются рассмотрением так называемых остовных электронных уровней, которые располагаются на внутренней оболочке атомов, ближе к их ядру. Предмет нашего внимания, помимо остовных, — валентные уровни на внешних электронных оболочках, где непосредственно образуются химические связи. Работать с валентными уровнями гораздо сложнее, к тому же считается, что они слабо изменчивы для используемых нами методов. С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы селективно, возбуждая каждый сорт атомов, отследили атомы в исходном положении. Затем — в переходном состоянии деградации, увидели выделение новых фаз йодида свинца (PbI2), косвенно подтвердив формирование летучих йодметана CH3I и аммиака NH3. В итоге мы показали, что в процессе деградации перовскитов именно в валентных областях происходят значительные изменения», — поясняет доцент кафедры электрофизики УрФУ, участник исследовательского коллектива и соавтор статьи Иван Жидков.
Важнейший продукт, который выделяется в процессе деградации перовскита и сопровождает ее — PbX2, где X — это йод или бром. Процесс выделения выглядит следующим образом: органический остаток — летучее соединение йодид метиламмония, разлагаясь, выходит наружу в виде газов — йодметана СН3I и аммиака NH3, а в структуре перовскита остается йодид свинца. Деградация перовскита начинается с образования небольшой порции дефектов йодида свинца. Чем больше концентрация таких дефектов, тем сильнее разложение перовскита. Следовательно, если остановить «размножение» дефектов PbI2 и его последующее разложение до Pb0, прекращается и деградация перовскита, он становится стабильным. Что и сделали ученые из России и Тайваня.
Кроме того, создавая солнечные батареи на основе гибридных галогенидов свинца, ученые уменьшили объем ячейки его кристаллической решетки и увеличили ее жесткость. Это позволило затормозить образование дефектов и деградацию перовскита. Они также обнаружили, что если заменить органический катион — из метиламмония или формамидиния — цезием, то при определенных условиях дефектов становится мало.
«Мы показали, что при длительном облучении в полностью неорганическом перовските CsPbI3 вместо ожидаемого “классического” разложения в действительности сначала наблюдается образование некоторого количества дефектов PbI2, которые затем прекращают формироваться из-за уплотнения кристаллической решетки и разлагаются на Pb0 и I2. Таким образом, при испарении йода также образуется металлический свинец, а основная масса перовскита остается в первоначальном виде — CsPbI3, его разложение останавливается. При этом замена органического катиона на цезий обеспечивает значительное улучшение стабильности перовскита. Отмечу, что образование Pb0 при воздействии фотонами на CsPbI3 выявлено нами впервые в мире», — рассказывает Иван Жидков.
Конечная цель ученых — создать высокоэффективные, простые в изготовлении и недорогие, долговечные солнечные батареи, энергия которых будет в разы и десятки раз дешевле, чем энергия традиционных кремниевых батарей.
Исследование получило два гранта: от РФФИ и Свердловской области (проект № 20-42-660003 «Электронная структура бессвинцовых гибридных перовскитных солнечных элементов и их устойчивость к облучению и температуре») и по совместному российско-тайваньскому проекту РФФИ (№ 21-52-52002 «Исследование физико-химических свойств органических-неорганических перовскитных интерфейсов и их влияния на возможности фотоэлектрического применения»).
Справка
Солнечные батареи на основе гибридных перовскитов — стремительно развивающаяся в последнее десятилетие технология. На сегодня в преобразовании ими солнечной энергии достигнута высокая эффективность (до 25,2%). Для сравнения — эффективность ранних коммерческих фотоэлектрических технологий на основе кремния — 26,7%, арсенида галлия — 29,1%, теллурида кадмия — 22,1% и соединения меди, индия, галлия и селена — 23,4%.
Перовскиты — класс материалов со структурой, подобной структуре титаната кальция, где присутствуют один анион (отрицательно заряженный ион) и два катиона (положительно заряженные ионы). Анион, чаще всего окислитель из ряда галогенов, заменяет позицию кислорода, один из катионов — позицию кальция, второй — титана.
Производство перовскитных солнечных батарей отличается дешевизной и экологичностью, а их КПД в перспективе должен достичь 36%. Однако сегодня важным недостатком таких батарей является их недолговечность. Катион (обеспечивает экономичность производства) из широко распространенной и доступной органики под воздействием света, температуры и влажности распадается быстро. Срок работы батареи ограничивается примерно двумя тысячами часов, то есть менее чем тремя месяцами. Для сравнения: кремниевые батареи работают без ощутимых потерь порядка 25 лет. Решение этой проблемы откроет путь к коммерциализации и широкому практическому применению перовскитных солнечных батарей.
Информация предоставлена пресс-службой Уральского федерального университета
Источник фото: https://urfu.ru/ru/news/34537/
