Материаловеды МГУ повысили стабильность материалов для солнечных элементов

Ученые МГУ предложили новый способ, как повысить стабильность тонких пленок гибридных галогенидных перовскитов к свету и нагреванию. Это оказалось возможно за счет «пассивации» дефектов в материале: ученые наносили тонкий слой особого вещества, который заполнял «молекулярные дыры» и служил эффективным барьером от внешних воздействий. Исследование открывает новые возможности для создания более долговечных тонкопленочных перовскитных солнечных батарей. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в престижном международном журнале Chemistry of Materials.

«Первые солнечные элементы, использующие в качестве светопоглощающего слоя галогенидные перовскиты, были предложены в 2011 году. С того времени рекордный КПД таких устройств увеличился с 3,8% до 25,9% в 2021 году, превзойдя таким образом эффективность традиционных кремниевых солнечных батарей», — рассказал Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ.

Дополнительным преимуществом перовскитных солнечных элементов является возможность нанесения всех активных слоев с использованием простых растворных технологий, что может значительно удешевить производство. Вместе с тем их основным недостатком остается сравнительно низкая устойчивость к воздействию повышенных температур и длительного облучения. В своей новой работе ученые факультета наук о материалах МГУ выяснили, как увеличить стабильность пленки перовскита при помощи обработки ее поверхности.

«В последние годы активно развиваются методы улучшения свойств и стабильности гибридных галогенидных перовскитов за счет введения солей крупных молекулярных катионов. В большинстве случаев такой эффект достигается за счет формирования этими ионами двумерного слоя перовскита на поверхности трехмерного», — объяснил Сергей Фатеев, научный сотрудник лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ.

Сами по себе двумерные гибридные перовскиты обладают сравнительно низкой фотостабильностью, поэтому не могут рассматриваться в качестве эффективного защитного барьера. В данном исследовании авторы продемонстрировали, что добиться улучшения фотостабильности возможно путем формирования на поверхности трехмерного перовскита очень тонкого «мономолекулярного» слоя пассивирующего агента. Для того, чтобы такой слой был плотным и стабильным, в качестве пассиватора был выбран иодид протонированной аминоудекановой кислоты, катионы которой не только компенсируют вакансии («дыры») катионов метиламмония на поверхности перовскита, но и формируют между собой прочные водородные связи за счет концевых карбоксильных групп.

Для формирования такого слоя достаточно просто обработать поверхность пленки перовскита разбавленным спиртовым раствором соответствующей соли. В результате снижается концентрация поверхностных дефектов, запускающих реакции фотохимического разложения материала и ускоряющих его деградацию. Также это многократно замедляет ухудшение оптических свойств перовскита при длительном облучении.

Дальнейшие исследования группы будут направлены на применение подхода в создании более надежных и долговечных тонкопленочных солнечных элементов.