Ученые открыли атомные «механизмы», увеличивающие эффективность солнечных батарей

11:01, 23 декабря 2020

Исследование имеет инновационный и прорывной характер сразу в нескольких направлениях

Оптимизированные атомные структуры и схема одновременного образования межузельных дефектов и вакансий. Иллюстрация: Nano Energy.

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.

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.