Ученые МИЭМ ВШЭ совместно с китайскими партнерами разработали инновационный метод, значительно повышающий долговечность перовскитных солнечных элементов. Ключом к успеху стало решение проблемы утечки йода из материала. Исследователи внедрили в структуру перовскита молекулы четвертичного аммония, формирующие прочные электростатические связи с ионами йода и надежно фиксирующие их внутри кристалла. Благодаря этому элементы демонстрируют выдающуюся стабильность, сохраняя свыше 92% исходной мощности после 1000 часов непрерывной работы при температуре 85 °C.
Перовскиты: перспектива солнечной энергетики
Перовскиты обладают уникальной кристаллической решеткой, где атомы свинца и галогенов (включая йод) соединены с органическими или неорганическими ионами. Эта структура отлично поглощает свет и эффективно преобразует его в электричество. Всего за десятилетие перовскитные элементы совершили путь от лабораторных образцов до реального направления в солнечной энергетике. Их потенциальная стоимость производства ниже кремниевых аналогов, а эффективность преобразования света уже приближается к ним.
Йод: сила и слабость перовскитов
Наивысшую эффективность, превышающую 26%, демонстрируют йодсодержащие перовскиты. Их энергетическая структура идеально подходит для поглощения солнечного спектра. Заряженные частицы в таких кристаллах обладают увеличенным временем жизни и пробегом, а потери заряда из-за дефектов минимизированы. Однако серьезным недостатком является потеря йода кристаллической решеткой при длительном воздействии света и нагрева. Высвобождающийся йод повреждает металлические контакты, приводя к постепенной деградации батареи и снижению ее производительности.
Поиск решения: от водородных связей к электростатике
Предыдущие попытки решить проблему включали укрепление кристаллов или добавление молекул, удерживающих йод посредством водородных связей. Однако такие связи оказались недостаточно прочными для длительной эксплуатации. Использование более сильных электростатических связей, где положительно заряженная молекула прочно удерживает отрицательный йод, казалось логичным, но оставалось неясным, как интегрировать такие молекулы в решетку перовскита без ее разрушения.
Инновационный подход: четвертичные аммонии в действии
Команда ученых из МИЭМ ВШЭ и китайских университетов нашла эффективный способ электростатической фиксации йода внутри перовскита, значительно повысив устойчивость элементов к свету и нагреву. Теоретические расчеты позволили выявить оптимальные молекулы для удержания трийодид-иона (I₃⁻). Наилучшие результаты показали четвертичные аммонии – молекулы с атомом азота, окруженным углеводородными группами. Для экспериментов был выбран тетрабутиламмоний-йодид (TBAI).
Экспериментальное подтверждение эффективности
Введение TBAI в раствор для формирования перовскитных пленок привело к впечатляющим результатам. Пленки с добавкой сохраняли структуру и химическую стабильность под воздействием света и нагрева, в то время как контрольные образцы разрушались. Ключевым индикатором стабильности стало количество металлического свинца (признак распада перовскита): после 250 часов испытаний его уровень в пленках с TBAI остался практически неизменным, тогда как в контрольных вырос в 1.5 раза. Добавка также практически полностью остановила миграцию йода и меди между слоями устройства.
Улучшение характеристик солнечных элементов
Испытания полноценных солнечных элементов подтвердили двойную пользу TBAI. Добавка не только предотвратила деградацию, но и улучшила качество материала: зерна перовскита стали крупнее и упорядоченнее, количество дефектов сократилось, а эффективность преобразования света выросла с 24,14% до 26,23%. Такой прирост весьма значителен для современных устройств, работающих близко к своим пределам. Стабильность также резко возросла: после 1000 часов работы при 85 °C элементы с TBAI сохранили 92,5% начальной эффективности, в то время как контрольный образец деградировал до 43,8% всего за 288 часов.
Многообещающие перспективы технологии
Авторы уверены, что управление электростатическими силами в перовските открывает путь к созданию солнечных элементов с исключительной долговечностью. «Теоретически данный подход применим и к другим галогенидным перовскитам, например, к материалам на основе йода и брома. Это позволит разрабатывать солнечные батареи, сочетающие высочайшую эффективность с выдающейся термостабильностью», – подчеркнул профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко.
Исследование выполнено в рамках проекта «Разработка высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов».
Информация предоставлена пресс-службой НИУ ВШЭ
Источник фото: luzazure / ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru
