Органическая добавка увеличила срок службы перовскитных солнечных батарей

Ученые Российской академии наук, Сколковского института науки и технологий и Уральского федерального университета (УрФУ) исследовали сложные перовскиты галогенидов свинца, которые можно использовать в качестве материалов-поглотителей в солнечных батареях. Ученые добавили к одному из перовскитов органическое соединение — поливинилкарбазол. Как сообщает пресс-служба УрФУ, в результате получилась ячейка, эффективность преобразования солнечного света в энергию которой — 18,7%, а срок работы на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.

Проблема

Наиболее распространенный материал для производства солнечных батарей — кремний. Однако КПД кремниевых батарей невелик: аморфные и поликристаллические преобразуют в энергию лишь около 11% солнечного света, монокристаллические — 26,7%. Причем производство таких батарей затратно и неэкологично.

Поисковый тренд последнего десятилетия — производство перовскитных солнечных батарей. Производят батареи методом печатной электроники: на подложку с помощью печатного оборудования наносят химический раствор, в результате создают слои материалов заданного состава и геометрии. В случае перовскитных солнечных батарей — слои перовскитов.

(Перовскиты — класс материалов со структурой, подобной структуре титаната кальция, где присутствуют один анион (отрицательно заряженный ион) и два катиона (положительно заряженных иона). Анион, чаще всего окислитель из ряда галогенов, заменяет позицию кислорода, один из катионов — позицию кальция, второй — титана.) 

Производство перовскитных солнечных батарей гораздо дешевле и экологичнее, а их КПД за последние годы вырос с 3% до 25,2%, что сопоставимо с эффективностью кремниевых батарей. В перспективе, по оценкам ученых, КПД перовскитных солнечных батарей должен достичь 36%.

Недостаток таких батарей — их недолговечность. Катион из распространенной органики, обеспечивающий дешевизну производства, распадается так быстро, что срок работы батареи не превышает обычно 2 тыс. часов или 3 месяцев. Для сравнения: кремниевые батареи работают без ощутимых потерь около 25 лет.

Необходимость увеличить срок действия перовскитных солнечных батарей объясняет актуальность исследований внутренней термической стабильности перовскитов галогенидов свинца, которые используются в солнечных батареях как материалы-поглотители.

Исследование

Ученые добавили к одному из перовскитов, CH₃NH₃PbI₃, органическое соединение —поливинилкарбазол, в результате получилась ячейка, у которой эффективность преобразования солнечного света в энергию — 18,7%, при этом срок ее работы на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.

В роли аниона в данных перовскитоподобных структурах физики использовали галогены — йод, бром и их смеси, в качестве первого катиона — органическое соединение — метиламмоний, формамидиний, а также цезий, в качестве второго катиона — свинец.  

В работе исследователи ставили несколько задач. Во-первых, установить, какие процессы происходят при нагреве материалов и их термической деградации, чтобы в дальнейшем избежать нежелательных последствий, в том числе образования экологически вредных продуктов распада. Во-вторых, увеличить стабильность солнечных ячеек.

— Чтобы определить термическую стабильность разных галогенидов свинца, мы нагревали их до температур, рабочих для ячеек солнечных батарей — 90℃, и наблюдали, на какие компоненты разлагались галогениды в условиях теплового напряжения. Выяснилось, что наименее стабильны, наиболее легко разлагаемы на летучие компоненты галогениды метиламмония. Неорганические материалы с использованием цезия, напротив, обладают исключительной композиционной стабильностью, так как в их составе присутствуют нелетучие соединения цезия с бромом и йодом и отсутствуют хорошо разлагающиеся органические катионы, — рассказывает доцент кафедры электрофизики УрФУ, участник исследовательского коллектива Иван Жидков.

Решения видятся ученым, в частности, в тщательной герметизации слоя поглотителя, стабилизации органического катиона определенной добавкой или в замене его более экологичным аналогом, пусть и меньшей эффективности.

— Мы не останавливаемся на достигнутом: так, замечено, что наилучшее сочетание эффективности и термостабильности дают смеси брома и йода в различных сочетаниях. Еще одна задача — либо совсем исключить использование в наших материалах токсичного свинца, либо снизить его присутствие до приемлемого уровня. Конечная цель — создание высокопродуктивных, простых и недорогих в изготовлении, долговечных солнечных батарей, энергия которых будет в разы и десятки раз дешевле, чем полученная с помощью кремниевых батарей, — говорит Иван Жидков.

Такие батареи можно использовать не только на Земле, но и в космосе за счет их высокой радиационной стабильности. Для этого придется существенно повысить термостабильность материалов: эта характеристика особенно важна в условиях вакуума, в отсутствие условий для отвода тепла.

Результаты работы представлены в журналах Solar Energy Materials and Solar Cells и The Journal Physical Chemistry Letters. Исследование осуществляется благодаря грантам Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Иллюстрация: кристаллическая структура перовскита CH₃NH₃PbI₃