Учёные разработали способ стабилизации перспективного материала для дешевых солнечных элементов

Исследователи из Кембриджского университета использовали в качестве «шаблона» органическую молекулу, чтобы по мере формирования пленки перовскита направлять их в желаемую фазу. Перовскитные материалы являются более дешёвой альтернативой кремнию в производстве оптоэлектронных устройств (светодиоды, фотоэлектрические элементы).

Разработка коммерчески доступных перовскитных солнечных элементов практически всегда была в центре внимания. Вышеуказанное соединение может существовать в двух несколько отличающихся фазах. Одна из них обеспечивает отличные фотоэлектрические характеристики, а другая обеспечивает очень низкую эффективность. Один из авторов исследования Тиарнан Доэрти (Tiarnan Doherty) из Кембриджской лаборатории Кавендиша говорит, что существенной проблемой FAPbI₃ является то, что требуемая фаза стабильна лишь при температурах более 150 градусов по Цельсию. При комнатной температуре материал переходит в другую фазу и фотоэлектрические свойства снижаются.

Поэтому учёные стали заниматься поиском решений для поддержания материала в требуемой фазе при более низких температурах. В частности они пробовали добавлять в соединения различные положительные и отрицательные ионы.

Некоторые эксперименты были успешными и привели к созданию работающих  фотоэлектрических устройств, но на данный момент имеют место локальные потери мощности. То есть, в материале имеются определённые области FAPbI₃, которые не находятся в нужной фазе. К тому же, исследователи не получили полного понимания, почему добавление ионов улучшило стабильность в целом и каким образом выглядела полученная структура перовскитного материала.

Доэрти сказал, что на этот счёт было следующие мнение. Считалось, что при стабилизации материала они образуют идеальную кубическую структуру. Однако в рамках проведённого исследования им удалось выяснить, что структура материалов неидеальной кубической формы, а слегка искажённая. Присутствуют очень тонкие структурные искажения, которые дают определенную внутреннюю стабильность при комнатной температуре. Более подробно они пишут об этом в результатах своей работы здесь.

Искажение совсем незначительное и раньше его обнаружить не удалось. Но Доэрти с коллегами использовали чувствительные методы структурных измерений, которая не получили широкого распространения на перовскитных материалах. Они применили сканирующую дифракцию электронов, дифракцию нано-рентгеновских лучей и ядерный магнитный резонанс, чтобы впервые получить представление о том, как выглядит стабильная фаза. Учёные говорят, что стабильность обеспечивает небольшое структурные искажения. Они стали искать способы добиться этого при подготовке перовскитного материала без добавления каких-либо других элементов.

Автор исследования Сатьяван Нагане (Satyawan Nagane) предложил использовать органическую молекулу, которая называется этилендиаминтетрауксусной кислотой (EDTA). При добавлении её в раствор перовскита она действует в качестве шаблонного агента, направляя перовскит в желаемую фазу по мере его образования. EDTA связывается с поверхностью FAPbI₃, обеспечивая структурно-направляющий эффект, но не встраивается в саму его структуру.

С помощью разработанной методики можно достичь желаемой ширины «запрещенной» зоны, поскольку в материал не добавляется ничего лишнего. Добавка выступает лишь в качестве шаблона, который направляет формирование пленки с искаженной структурой. По словам Нагане, пленка получается чрезвычайно стабильной.

Ещё один автор исследования Доминик Кубицки (Dominik Kubicki) из Кавендишской лаборатории в Уорикском университете сказал, что таким способом можно создать искаженную структуру только в соединении FAPbI₃. Другие свойства не меняются, что является практически идеальным решением для перовскитных фотоэлектрических элементов.

Исследователи надеются, что их фундаментальное исследование поможет повысить стабильность и характеристики перовскитных материалов. В своих будущих работах они планируют интегрировать данный подход в прототипы устройств, чтобы создать идеальные фотоэлектрические элементы.

Доктор Сэм Стрэнкс (Sam Stranks) из Кембриджского департамента химической инженерии и биотехнологии отметил, что полученные результаты изменят стратегию оптимизации и правила производства данных материалов. Ведь даже небольшие области, которые не имеют указанный деформации, приводят к снижению производительности. Поэтому производственные линии должны будут иметь возможность точного контроля, где и как осаждаются различные компоненты и «искажающие» добавки. Тогда равномерное искажении будет по всему материалу.

Это исследовательская работа была проведена учёными при сотрудничестве с Diamond Light Source и Центром электронной визуализации физических наук (ePSIC), Imperial College London, Университетом и исследовательским центром Вагенингена, Университетом Лидса, Университетом Йонсей.