Заполнение пустот сделало перовскитные солнечные элементы стабильнее и эффективнее


Американские
ученые выяснили,
что в
процессе испарения растворителя
диметилсульфоксида
в перовскитных
солнечных элементах образуются пустоты.
Уменьшив
количество диметилсульфоксида,
и добавив в
активный слой диаминомочевину, ученые
сумели получить перовскитные
слои
без пустот и
сделать солнечные элементы эффективнее
и стабильнее.
Результаты
исследования опубликованы в журнале
Science.

Эффективность
перовскитных солнечных элементов возросла
до 25,5 процентов и
уже вплотную приблизилась к эффективности
кремниевых солнечных элементов,
однако недостаточная стабильность перовскитов все еще сдерживает
коммерциализацию этой технологии.
Перовскитный
солнечный элемент состоит
из нескольких слоев, каждый из которых
выполняет свою роль.
Самый
нижний слой — прозрачный электрод из
оксида индия с добавками олова
(Indium
Tin Oxide, ITO).
На него наносят первый транспортный
слой, активный
слой из перовскита, второй транспортный
слой, а
затем
напыляют металлический электрод.
Деградация
перовскитного
слоя
обычно начинается на границе
с транспортными слоями,
и
различным способам пассивации и
стабилизации этих границ посвящено
уже
очень
много
исследований. Однако, в основном в фокусе ученых была верхняя граница
перовскитного
слоя — та, область, где через тонкий
транспортный слой перовскит граничит
с металлом. Стабилизация нижней границы
перовскита изучена меньше,
хотя в прошлом году
ученые
выяснили,
что плотность дефектов в этой области
даже выше, чем на верхней границе.

В
том, что происходит на
нижней
границе перовскитного слоя и
откуда там столько дефектов,
разобрались
ученые
из Университета Северной Каролины под
руководством Цзиня
Суна Хуана.
(Jinsong
Huang).
Ученые
работали с перовскитным солнечным
элементом так называемой p-i-n
(positive/intrinsic/negative)
конфигурации
— на
прозрачный
катод
из
ITO
они
последовательно нанесли
дырочно-транспортный слой из полимера
PTAA,
слой
перовскита,
электрон-транспортный слой из фуллерена
и
медный
анод.
Для
перовскитного слоя использовали метод
blade
coating
(формирование
слоя под действием движущегося лезвия),
который Хуан и его коллеги использовали
и оптимизировали
в своих предыдущих исследованиях.

Строение солнечного элемента с p-i-n конфигурацией

Авторы
брали
готовый солнечный элемент, аккуратно
отделяли
перовскитный слой и
изучали его нижнюю
поверхность
методом
сканирующей электронной микроскопии.
Оказалось,
что поверхность изобилует
пустотами со
средним размером около ста нанометров.
Ученые
убедились, что пустоты были в материале изначально, а не образовались
при разделении слоев — в этом случае
на транспортном слое полимера остались бы фрагменты
перовскита.
Во время работы солнечного элементы деградация начинается вокруг
пустот, а затем распространяется на
весь материал. Это
может происходить по нескольким причинам.
Во-первых,
дырки останавливаются
на
границах пустот и не могут достичь
транспортного
слоя. Из-за
этого
в
нижней части активного слоя
скапливается положительный заряд,
который провоцирует ионную миграцию и
увеличение количества дефектов.
Во-вторых,
пустоты
могут
служить резервуарами для йода
и других продуктов распада перовскита
— это
тоже ускоряет процесс деградации.
Авторы
предположили, что образование
пустот на
нижней границе происходит
еще
в процессе нанесения
перовскитного слоя.
Для
нанесения используется смесь нескольких
растворителей, среди которых есть
тяжелый растворитель с высокой
температурой кипения — диметилсульфоксид
(ДМСО).
После
нанесения
слоя ячейки нагревают, чтобы перовскит
полностью закристаллизовался. Процесс
кристаллизации
начинается в
верхней
части слоя, при
этом легкокипящие растворители сразу
испаряются, а ДМСО
мигрирует в нижнюю часть слоя и
собирается на границе с
PTAA.
Когда ДМСО наконец испаряется, на этом
месте и остаются пустоты. Хуан
и его коллеги пробовали
менять
количество ДМСО и
выяснили, что
совсем
отказаться от него нельзя
— в этом случае перовскитный слой
оказывается разупорядоченным и пористым.
Дело
в том, что сульфоксидный
фрагмент из ДМСО
координируется
на ионе свинца, поэтому добавка ДМСО
помогает
образованию промежуточной фазы, которая
в конце превратится в перовскит.
Хуан
и его коллеги подобрали оптимальное
количество ДМСО (25
мольных процентов по
отношению к перовскиту) и также ввели
в раствор добавку диаминомочевины.
Это вещество тоже
координируется на свинце и отчасти
берет на себя функции ДМСО, но
в отличие от ДМСО не испаряется, а
остается запечатанным в перовскитном
слое. В этом есть и дополнительная польза

диаминомочевина
может
восстанавливать йод.
В
результате авторам удалось получить перовскитные слой без пустот.

Сравнение стабильности образца с диаминомочевиной и контрольного образца, на врезе — СЭМ-фотографии нижней поверхности образцов.

С
помощью новой методики авторы собрали солнечные элементы с
эффективностью 23,6
процентов и
большие солнечные модули площадью
50 квадратных сантиметров
с
эффективностью 19,2
процента
— это
не рекорд в целом для перовскитов, но
для образцов, полученных методом blade
coating, результат
очень достойный. Стабильность
устройств тоже улучшилась: маленькие
элементы проработали 550
часов сохранив первоначальную
эффективность,
в
то время, как контрольные образцы
полностью
деградировали за 250 часов.

В
начале августа в
Science
вышла
еще одна статья, посвященная стабилизации
перовскитов. Ученые
из Китая
и США предложили заменить
нагревание солнечных элементов на
электроплитке погружением в горячий
анизол. В результате перовскитные
кристаллиты становятся больше по
размеру,
а сам
синтез лучше
воспроизводится. Этот
способ, как и описанный Хуаном и его
коллегами, подходит в том числе для больших
перовскитных
модулей.

Наталия
Самойлова

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 23.08.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии