Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных батарей до почти рыночных стандартов

Солнечная энергия не только самая быстро развивающаяся технология последних лет, но и одна из самых дешевых и эффективных в снижении выбросов парниковых газов.

Исследование, проведенное Университетом Райса и опубликованное в журнале Science, описывает способ синтеза йодида свинца формамидиния (FAPbI3) — типа кристалла, который используется для создания высокоэффективных перовскитных солнечных батарей. Общая эффективность полученных FAPbI3 солнечных батарей уменьшилась менее чем на 3% за более чем 1000 часов работы при температуре 85 градусов Цельсия.

"Мы считаем, что это передовые достижения в области стабильности," — сказал инженер Райса Адитья Мохите, чья лаборатория добилась значительных улучшений в долговечности и производительности перовскитов за последние годы. "Перовскитные солнечные батареи могут произвести революцию в производстве энергии, но достижение долгосрочной стабильности было значительной проблемой."

Последний прорыв достигнут благодаря "приправлению" исходного раствора FAPbI3 специальными двумерными (2D) перовскитами. Эти 2D перовскиты служили шаблоном, направляющим рост объемного/3D перовскита, что обеспечивало дополнительную компрессию и стабильность кристаллической решетки.

"Перовскитные кристаллы разрушаются двумя способами: химически — разрушая молекулы, составляющие кристалл, и структурно — перестраивая молекулы в другой кристалл," — объяснил Айзек Меткалф, аспирант кафедры материаловедения и наноинженерии Университета Райса и ведущий автор исследования. "Среди различных кристаллов, которые мы используем в солнечных батареях, наиболее химически стабильные также наименее структурно стабильные, и наоборот. FAPbI3 находится на структурно нестабильном конце этого спектра."

Хотя 2D перовскиты более стабильны как химически, так и структурно, они обычно плохо улавливают свет, что делает их плохим выбором для солнечных батарей. Однако исследователи предположили, что использование 2D перовскитов в качестве шаблонов для роста FAPbI3 пленок может передать им свою стабильность. Для проверки этой идеи они разработали четыре разных типа 2D перовскитов и использовали их для создания разных формул FAPbI3 пленок.

"Добавление подходящих 2D кристаллов облегчило образование кристаллов FAPbI3, тогда как неподходящие 2D кристаллы затруднили этот процесс, что подтвердило нашу гипотезу," — сказал Меткалф. "Пленки FAPbI3 с 2D кристаллами были более качественными, показывая меньше внутренних дефектов и лучшую реакцию на освещение, что приводило к большей эффективности."

2D кристаллы улучшили не только эффективность, но и долговечность FAPbI3 солнечных батарей. Без 2D кристаллов солнечные батареи значительно деградировали через два дня генерации электричества на солнце, тогда как с 2D шаблонами они не начинали деградировать даже через 20 дней. Добавление защитного слоя еще больше повысило их стабильность до уровней, приближающихся к коммерческим стандартам.

Эти результаты могут существенно повлиять на технологии фотоэлектрического преобразования, снижая производственные затраты и позволяя создавать солнечные панели с упрощенной конструкцией, которые легче и гибче своих кремниевых аналогов.

"Перовскиты растворимы в растворе, поэтому можно нанести чернила из перовскитного прекурсора на кусок стекла, нагреть его и получить поглощающий слой для солнечной батареи," — сказал Меткалф. "Перовскитные пленки можно обрабатывать при температурах ниже 150 градусов Цельсия, что теоретически позволяет создавать солнечные панели на пластиковых или гибких подложках, что еще больше снижает затраты."

Несмотря на то, что кремний является самым широко используемым полупроводником в фотоэлектрических ячейках, его производство требует больше ресурсов по сравнению с новыми альтернативами. Среди них выделяются галогенидные перовскиты, эффективность которых выросла с 3,9% в 2009 году до более чем 26% в настоящее время.