Атомные «механизмы», увеличивающие эффективность солнечных батарей

Коллектив учёных из Уральского федерального университета, Сколковского института науки и технологий, Института проблем химической физики РАН и Национального университета Тайваня обнаружил, как увеличить стабильность солнечных батарей. Учёные 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 её – 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 остаётся 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 учёные из России и Тайваня.

Кроме того, создавая солнечные батареи на основе гибридных галогенидов свинца, учёные уменьшили объем ячейки его кристаллической решётки и увеличили её жёсткость. Это позволило затормозить образование дефектов и деградацию перовскита. Они также обнаружили, что если заменить органический катион – из метиламмония или формамидиния – цезием, то при определённых 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 решётки и разлагаются на Pb0 и I2. Таким образом, при испарении йода также образуется металлический свинец, а основная масса перовскита остаётся 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 учёных – 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»).

Пресс-служба УРФУ
Источник: Научная Россия
Иллюстрация: Nano Energy / ScienceDirect

Вы можете отметить интересные вам фрагменты текста, которые будут доступны по уникальной ссылке в адресной строке браузера.

Помог ли вам материал?
0    0