Углекислый газ помог получить транспортные слои для солнечных элементов

Американские
химики нашли простой и
быстрый
способ подготовки
транспортных слоев для перовскитных
солнечных элементов. Оказалось, достаточно пропустить через раствор
исходного соединения углекислый газ в
течение одной минуты.
Солнечные
элементы, полученные новым способом, к
тому же эффективнее
и стабильнее за
счет меньшего
количества ионов лития.
Результаты
исследования опубликованы
в журнале Nature.

Для
того чтобы солнечный элемент эффективно
работал, недостаточно обеспечит
поглощение света и генерацию зарядов.
Заряды также нужно разделить, отправив
отрицательного
заряженные
электроны
к
аноду, а положительно заряженные дырки
— к катоду.
В
перовскитных
солнечных
элементах
для этого используются транспортные
слои, которые
располагаются
сверху и снизу активного слоя. Один
из таких слоев пропускает только
электроны, а второй — только
дырки.

Для
дырочно-транспортного
одним
из лучших материалов считается
органическое соединение
2,2′,7,7′-тетракис(N,N-диметоксифениламин)
9,9′-спирофлюорен (spiro-OМeTAD).
Обычно
его слой наносят поверх перовскитного
слоя. Чтобы
слой
лучше проводил дырки,
его нужно частично
окислить, то есть
перевести примерно десять процентов
молекул в форму катиона.
Обычно
поверх spiro-OМeTAD
наносят
слой солей
лития,
а затем оставляют
солнечный элемент на воздухе и в светлом
помещении
в течение нескольких часов. Под
действием света и
солей лития
spiro-OMeTAD
реагирует
с кислородом воздуха и отдает ему один
электрон.
Однако,
такое окисление — долгий
процесс, во
время которого сложно контролировать,
что происходит с другими слоями будущего
солнечного элемента.

Американские
химики под руководством Андре Тейлора
(André
D. Taylor) из
Нью-Йоркского Университета
нашли новый более простой способ
подготовки
слоя
spiro-OMeTAD
в
перовскитных солнечных
элементах. Они
решили окислить,
не слой spiro-OMeTAD,
а
исходный
раствор,
пропустив
через него
кислород
O2
и
углекислый газ CO2.
Согласно
их плану, реакция
окисления должна в таких условиях должна
пройти быстрее, а главное — без вреда
для других частей будущего солнечного
элемента.
Использование
углекислого газа в качестве окислителя
— не самая тривиальная идея, однако
авторы провели теоретические расчеты
и выяснили, что потенциала восстановления CO2
до CO2
достаточно
для того, чтобы забрать электрон с
молекулы spiro-OМeTAD.

Осуществить
реакцию на практике несложно — достаточно
добавить к раствору spiro-OMeTAD
соль
лития и пропустить кислород или углекислый
газ в течение одной минуты, облучая
раствор ультрафиолетом.
В
случае СО2
допирование происходит
даже с большим выходом,
чем в
случае кислорода. Главной
причины Тейлор
и его коллеги считают лучшую
растворимость
СО2
в хлорбензоле, в котором проводили
реакцию.

Перед
нанесением слоев
spiro-OMeTAD
на
солнечный элемент растворы
профильтровали. Дело
в том, что при окислении spiro-OMeTAD
получаются
побочные продукты — при обработке
кислородом оксид лития, а при обработке
углекислым газом — карбонат лития и
уголь (финальный
продукт восстановления углекислого
газа).
Когда слой spiro-OMeTAD
окисляют
на воздухе, побочные продукты остаются
на поверхности слоя и могут ухудшать
работу солнечного элемента, но в данном
случае у авторов появилась возможность
от них избавиться.
Правда
в случае обработки кислородом отделить
ничего
не удалось — полученный
оксид лития
частично растворялся в хлорбензоле,
либо его
частицы
были слишком малы
и проходили через поры фильтра. А
вот в случае
обработки углекислым
газом,
Тейлор
и его коллеги смогли отделить осадок и
выяснили, что он на 79 процентов состоит
из карбоната лития, на котором осели
частички углерода
и фрагменты более сложных органических
молекул.

Слой
spiro-OMeTAD,
обработанного
газообразным СО2
имел
проводимость 4.91
× 10−5
сименс
на сантиметр
— это почти
в три раза больше, чем у spiro-OMeTAD,
полученного
традиционным способом на воздухе, в
пять раз больше, чем у spiro-OMeTAD,
обработанного
кислородом и в сто раз
— чем у spiro-OmeTAD,
который
вообще никак не подготавливали.
Эффективность
солнечного
элемента с СО2
spiro-OmeTAD
тоже
оказалась самой высокой — 19,1 процента.
Более
того, солнечные элементы с СО2
оказались
самыми
стабильными — сохранили
более 80 процентов своей эффективности
после 500 часов работы. Причина такой
высокой стабильности — удаление большей
части ионов
лития.
Такие
ионы могут продвигаться внутрь
активного слоя и вступать
в реакцию с перовскитом — то есть портить
солнечный элемент. Поэтому
процедура, предложенная
Тейлором
и его коллегами вдвойне полезна: она
позволяет не только сократить время
изготовления перовскитных
солнечных
элементов, но и сделать
их эффективнее и стабильнее
за счет очистки
из транспортного
слоя от
лишнего
лития.

В
апреле мы писали о том, как швейцарские
химики повысили
эффективность и стабильность перовскитных
солнечных элементов с помощью добавок
формиата. Ионы
формиата заполняют вакансии ионов
иода
на границе перовскитных кристаллов, а
также замедляют скорость кристаллизации
перовскита, поэтому вместо множества
мелких кристаллитов формируются один
крупный.

Наталия
Самойлова

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 03.06.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии