Учёные предложили добавки для увеличения срока эксплуатации недорогих солнечных элементов

Открытие специалистов Мичиганского университета может помочь в создании солнечных элементов, которые будут в 2-4 раза дешевле по сравнению с современными тонкоплёночными панелями. Они разработали добавки, предотвращающие быстрое разрушение перовскитных полупроводников. Как известно, перовскиты можно комбинировать с полупроводниками на основе кремния. Последние сейчас преобладают в солнечных панелях. При соединении их с пировскитами могут быть созданы тандемные солнечные элементы, которые взойдут максимальную теоретическую эффективность кремниевых элементов.

Использование такой высокой температуры влечёт за собой высокие экологические и экономические издержки. Перовскиты можно производить и при более низких температурах. Но они быстро разлагаются под действием влаги, воздуха, тепла. Поэтому они имеют небольшой срок службы, из-за чего не могут стать конкурентоспособными в солнечных панелях. Проведённое исследование было направлено на разработку более прочных перовскитных солнечных элементов. Учёные предположили, что «объёмистые молекулы» лучше всего увеличивают стабильность перовскитов и влияют на общий срок службы.

Кристаллы перовскита содержат атомы свинца, которые плохо связаны с прочими компонентами этого материала. Подобные «несогласованные участки» представляют собой дефекты. Они часто встречаются на поверхности кристаллов и на границах зерен, где наблюдается разрыв кристаллической решётки. Дефекты препятствуют движению электронов и ускоряют распад перовскита.

Специалисты уже знают, что смешивание молекул для подавления дефектов с перовскитами может блокировать свинец который недостаточно координирован. Это, в свою очередь предотвращает образование других дефектов при высоких температурах. До сих пор инженеры точно не знали, каким образом та или другая молекула влияет на устойчивость клеток перовскита. Один из исследователей, Хонки Ким, отметил, что они хотели выяснить, какие особенности молекул серьёзно улучшают стабильность перовскита.

Для исследования проблемы команда Гонга разработала три добавки разной формы и размеров. Они добавили их в тонкие плёнки кристаллов перовскита. Эти плёнки могут поглощать свет и преобразовывать его в электричество. Каждая добавка содержит одинаковые или похожие химические строительные блоки. Поэтому вес, размер и расположение являлись основными отличительными характеристиками.

После этого исследователи измерили, насколько сильно разные добавки взаимодействуют с перовскитами. В зависимости от этого взаимодействия они по-разному влияют на образование дефектов в плёнках. Молекулы большего размера лучше прилипают к перовскиту. Это объясняется тем, что они имеют больше мест для связывания, взаимодействующих с кристаллами перовскита. В результате, лучше предотвращается образование дефектов.

Лучшие по своим характеристикам добавки должны были занимать много места. Крупные, но тонкие молекулы приводили к образованию меньших зёрен перовскита в процессе производства. Зёрна меньшего размера являются не идеальными, поскольку они в свою очередь создают ячейки перовскита с большим количеством границ зерен или большим количеством областей для образования дефектов. Молекулы большого объёма приводили к образованию более крупных зерен перовскита. Это уменьшало плотность границ зерен в плёнке. Нагревание перовскита до температуры больше 200 С подтвердило для учёных их предположение. Оно заключалось в том, что «объёмистые» добавки позволяли плёнкам сохранить свой характерный грифельно-черный цвет и иметь меньше структурных дефектов.

Один из исследователей, Карлос Алехандро Фигероа Моралес, отметил, что при разработке добавок важна их конфигурация и размер. Данная философия дизайна может быть реализована в различных рецептурах перовскита с целью дальнейшего увеличения срока эксплуатации перовскитных солнечных элементов, светоизлучающих устройств и фотодетекторов.

Исследование финансировалось Мичиганским университетом и проводилось с использованием сканирующего электронного микроскопа, финансируемого Национальным научным фондом. Соавтор исследовательской работы Нэнси Муянджа руководила микроскопическими измерениями в Мичиганском центре характеристики материалов.