В работе акцент смещается с эффективности на долговечность, демонстрируя, что перовскиты могут выдерживать испытания на прочность при температуре 194°F (90°C).
Галогенидные перовскиты долгое время считались недорогой альтернативой кремнию в солнечных элементах, но нестабильность ограничивала их использование. Теперь исследователи сообщают о способе повышения долговечности при сохранении высокой производительности. Результаты показывают, как химические добавки могут стабилизировать перовскитные пленки при нагревании и длительных нагрузках.
Группа исследователей из Университета Райса разработала модифицированный раствор-прекурсор, который улучшает образование кристаллов и замедляет деградацию. В лабораторных условиях пленки сохранили 98% своей эффективности после 1200 часов при температуре 90°C в условиях ускоренного старения.
Направление роста кристаллов
Перовскиты можно обрабатывать в жидком или газообразном состоянии, что упрощает их производство по сравнению с кремнием. Однако их кристаллическая структура может трансформироваться в менее удобную форму, отражающую свет вместо его поглощения.
Для решения этой проблемы исследователи добавили в исходный раствор двумерный перовскит и хлорид формамидиния. Первый действует как матрица для роста кристаллов, а второй регулирует кристаллизацию.
«Это исследование началось с простого, но настойчивого вопроса: можем ли мы действительно создать солнечную батарею, которая будет чрезвычайно стабильной — такой, которая никогда не будет деградировать», — сказал Рабиндранат Гарай. «Этот вопрос не покидал нас в лаборатории… Стало ясно, что если мы хотим настоящей стабильности, мы должны не только изучать, как образуется материал, но и понимать, как он разрушается».
Добавки создают сжимающее напряжение в кристаллической решетке, стабилизируя черную фазу, которая эффективно поглощает солнечный свет. «При таком соединении кристалл отлично поглощает свет — настолько хорошо, что выглядит черным, потому что весь падающий на него свет поглощается», — сказал Исаак Меткалф. «Мы называем это черной фазой кристаллизации, и это единственная фаза, которая пригодна для использования в солнечных батареях».
Перовскиты на основе формамидиния часто страдают от структурного несоответствия, что приводит к нестабильности. Нагревание может временно исправить это, но структура имеет тенденцию к восстановлению после охлаждения. Новый подход позволяет избежать этого цикла, направляя упорядоченный рост кристаллов и обеспечивая постепенную кристаллизацию.
«Представьте, что на земле есть сетка из отверстий, и вы бросаете туда горсть шариков», — сказал Меткалф. «Если сетки нет, шарики разлетятся во все стороны. С сеткой они все соберутся в разные отверстия».
Замедление путей деградации
Исследователи также обнаружили, что хлор изменяет процесс разложения материала. «Здесь мы показали, что хлор фактически проникает в кристаллическую решетку, и тем самым изменяет способ разложения материала», — сказал Адитья Мохите.
Вместо обычного низкоэнергетического распада, материал разлагается медленнее по более высокоэнергетическому пути. «В отличие от традиционного пути разложения через желтую фазу, этот аддитивный подход полностью обходит его и вводит альтернативный, энергетически более сложный путь», — сказал Гарай.
Пленки также демонстрируют более крупные и лучше выровненные кристаллы, что уменьшает количество слабых мест, где начинается деградация. Исследователи тестировали до 100 устройств одновременно, используя специально разработанную установку.
«Раньше мы использовали лампу и нагревательную плиту, что позволяло тестировать только одно устройство за раз, — сказал Фаиз Мандани. — С нашим новым устройством для определения степени деградации… теперь мы можем тестировать до 100 устройств одновременно».
Полученные результаты могут способствовать более широкому применению перовскитов в тандемных солнечных элементах, эффективность которых в сочетании с кремнием может превышать 30%.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Sourse: interestingengineering.com
