Учёные из США разработали инновационный материал, который существенно повышает эффективность и долговечность перовскитных солнечных элементов. Новая технология позволяет достичь более 25% эффективности преобразования солнечного света в электричество.
Исследование провела команда из Корнеллского университета (штат Нью-Йорк). Специалисты объединили два типа перовскитных материалов в двухмерную (2D) структуру, обладающую устойчивостью к внешним воздействиям. Такая конструкция служит защитным слоем для хрупкого трёхмерного (3D) перовскита, находящегося под ним. Разработкой руководили профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Цюминг Ю и аспирант Шрипати Рамакришнан.
Перовскитные солнечные элементы считаются перспективной альтернативой традиционным кремниевым панелям благодаря их лёгкости, доступной цене и высокой эффективности. Однако их уязвимость к теплу, влаге и воздействию света долгое время тормозила коммерциализацию технологии.
Стабильное решение на молекулярном уровне
Ранее для стабилизации структуры часто использовался метиламмоний (MA), но он быстро разрушался под действием солнечного света. “С MA удаётся достичь хорошей проводимости и эффективности, но элемент теряет свойства уже через несколько сотен часов работы,” — пояснил Рамакришнан.
Новое решение базируется на применении формиамидиния (FA), который устойчив к разрушению. Однако его крупные молекулы создают напряжение в кристаллической решётке, мешая формированию стабильного защитного слоя. Учёные использовали подход, основанный на согласовании решёток — принципе, при котором кристаллические структуры 2D- и 3D-перовскитов «сцепляются» друг с другом без искажений.
Выбор подходящих органических катионов (лигандов), способных одновременно взаимодействовать с FA и окружающей кристаллической структурой, позволил сформировать стабильный и проводящий защитный слой нужной толщины.
Испытания и результаты
“Лиганды в 2D-перовските стремятся сжать решётку, а FA, наоборот, расширяет её. Мы подобрали такие молекулы, которые позволили достичь баланса между этими силами”, — уточнил Рамакришнан.
В лабораторных условиях покрытие из FA обеспечило высокую устойчивость солнечных элементов к свету, теплу и влаге, значительно превзойдя предыдущие варианты на основе MA. Полученные элементы достигли коэффициента преобразования энергии в 25,3%. После 50 дней ускоренных испытаний с одновременным воздействием света и температуры, панели потеряли всего 5% производительности — это отличный показатель для реальных условий эксплуатации.
“Кремнию потребовалось около 50 лет, чтобы достичь нынешнего уровня в солнечной энергетике. Перовскиту не понадобятся десятилетия, если мы продолжим углублённо изучать его на молекулярном уровне и применять эти знания на практике”, — говорит профессор Ю.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Joule.
