Американские учёные разработали способ улучшить характеристики перовскитных солнечных батарей с помощью необычного приёма: во время изготовления материала они создают временную жидкую фазу, которая помогает кристаллам формироваться более упорядоченно. В результате исследователям удалось уменьшить количество дефектов в структуре материала и повысить эффективность устройств примерно до 24–26%.
Не менее важно, что солнечные элементы сохранили большую часть первоначальной эффективности после восьми недель непрерывной работы под имитацией солнечного света. Это может приблизить перовскитные технологии к практическому применению в энергетике.
Почему перовскитные солнечные батареи так перспективны?
Традиционные солнечные панели производят преимущественно из кремния. Однако существуют и альтернативные материалы, способные эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество. К ним относятся перовскиты — соединения с определённой кристаллической структурой, которые привлекают внимание исследователей благодаря высоким фотоэлектрическим характеристикам.
Одно из главных преимуществ перовскитов заключается в способе их производства. Такие материалы можно получать из жидких растворов, а затем наносить на поверхность тонким слоем. Потенциально это позволяет упростить изготовление солнечных элементов и снизить энергозатраты по сравнению с некоторыми традиционными производственными процессами.
Но у технологии есть существенная проблема: добиться формирования качественной и однородной кристаллической структуры непросто.
Тонкие перовскитные плёнки состоят из множества кристаллов, между которыми образуются границы зёрен. В этих областях могут возникать структурные и электронные дефекты, мешающие движению электрических зарядов. В результате часть энергии теряется, а эффективность солнечного элемента снижается.
Особенно трудно поддерживать высокое качество материала при увеличении площади покрытия. Иными словами, создать эффективный небольшой лабораторный образец — ещё не то же самое, что изготовить однородную плёнку для большой солнечной панели.
Как работает технология временной жидкой фазы?
Новый метод разработала международная исследовательская группа, в работе которой участвовали специалисты Калифорнийского университета в Сан-Диего, Принстонского университета и Университета Сонгюнгван в Южной Корее.
Учёные изменили состав раствора, из которого формируется перовскитная плёнка. В него добавили бромид цинка и хлорид метиламмония. При нагревании эти вещества образуют эвтектическую смесь — сочетание компонентов, которое плавится при более низкой температуре, чем каждый из них по отдельности.
Возникающая жидкая фаза действует как своеобразная временная среда для растущих кристаллов. Она появляется в области границ между ними и позволяет материалу перестраиваться, формируя более упорядоченную структуру.
Когда нагревание продолжается, хлорид метиламмония испаряется. Цинк при этом остаётся преимущественно вблизи границ кристаллических зёрен, где помогает нейтрализовать электронные дефекты.
Таким образом, исследователи управляют сразу двумя важными процессами: формированием кристаллов и устранением дефектов, ухудшающих электрические свойства материала.
Чтобы разобраться в происходящем на микроскопическом уровне, команда использовала современные методы рентгеновской визуализации. Наблюдения показали, что во время нагревания области вокруг границ зёрен приобретают неупорядоченное, похожее на жидкость состояние, а после испарения лишней соли структура снова становится упорядоченной.
В результате формируются более крупные кристаллы с меньшим количеством дефектов и более равномерным распределением химических компонентов.
Эффективность до 26% и более стабильная работа
Улучшение кристаллической структуры отразилось на характеристиках готовых устройств. Перовскитные солнечные элементы и светодиоды, изготовленные с использованием нового подхода, продемонстрировали эффективность примерно от 24 до 26% — высокий показатель для устройств такого типа.
Чтобы понять, почему устранение дефектов настолько важно, стоит вспомнить принцип работы солнечной батареи.
Когда свет попадает на полупроводник, он передаёт энергию электронам, переводя их в более высокоэнергетическое состояние. При этом возникают электроны и положительно заряженные квазичастицы — дырки. Разделение и перенос этих зарядов позволяют получать электрический ток.
Однако электроны и дырки могут рекомбинировать, то есть вновь переходить в состояние, при котором энергия рассеивается, а не используется для получения электричества. Дефекты материала способны ускорять этот процесс.
Чем дольше возбуждённые носители заряда сохраняются в материале и чем эффективнее они перемещаются, тем больше возможностей у солнечного элемента преобразовать световую энергию в электрическую.
По словам соавтора исследования Коннора Долана (Connor Dolan), в перовскитах, изготовленных с помощью эвтектических добавок, удалось добиться исключительно длительного времени жизни электронно-дырочных пар. Исследователь отмечает, что этот результат подчёркивает потенциал нового подхода.
Дополнительные испытания показали, что устройства сохраняли большую часть первоначальной эффективности после восьми недель непрерывной работы под имитацией солнечного света. Команда также проверила метод на нескольких составах перовскитов и обнаружила, что он работал во всех исследованных вариантах.
Что это означает для солнечной энергетики?
Пока речь идёт о лабораторном исследовании, а не о готовой технологии массового производства. Тем не менее предложенный метод может оказаться важным шагом к созданию более эффективных и долговечных перовскитных солнечных элементов.
В дальнейшем учёные планируют изучить другие эвтектические смеси, чтобы точнее управлять процессом кристаллизации. Это позволит выяснить, насколько широко новый принцип можно применять к различным составам и производственным технологиям.
Если подход удастся адаптировать для изготовления больших плёнок с равномерными характеристиками, он может помочь решить одну из ключевых задач перовскитной энергетики — совместить высокую эффективность с надёжностью и возможностью масштабного производства.
Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science.
