Перовскитные солнечные элементы улучшили с помощью временной жидкой фазы

Исследователи разработали способ выращивать более крупные и однородные кристаллы перовскита с меньшим количеством дефектов. Для этого они создавали временную жидкую фазу во время формирования плёнки. Полученные материалы улучшили характеристики лабораторных солнечных элементов и светодиодов. Работа опубликована в Science.

Почему границы кристаллов мешают устройствам

Перовскиты перспективны для солнечной энергетики: их можно наносить из растворов в виде тонких плёнок. Однако такая плёнка состоит из множества небольших кристаллов. На границах между ними возникают дефекты, из-за которых часть энергии теряется. При увеличении площади устройства эти проблемы могут становиться особенно заметными.

Команда Калифорнийского университета в Сан-Диего совместно с Принстонским университетом и Университетом Сонгюнгван в Южной Корее исследовала галогенидные перовскиты. Учёные добавляли в исходный раствор бромид цинка и хлорид метиламмония.

При нагревании эти соли образовывали низкоплавкую смесь — эвтектику. Она создавала временную жидкую среду около границ растущих кристаллов, помогая им перестраиваться и образовывать более упорядоченную плёнку.

Жидкая фаза исчезает, а полезный эффект остаётся

По мере нагревания хлорид метиламмония испарялся. Цинк оставался преимущественно около границ кристаллов и помогал уменьшать электронные дефекты. Рентгеновские измерения позволили проследить переход от упорядоченного состояния к жидкоподобному и обратно при одной и той же температуре.

В результате исследователи наблюдали несколько улучшений:

• Кристаллы становились крупнее и лучше упорядочивались.
• В плёнках уменьшалось количество структурных дефектов.
• Химические свойства распределялись более равномерно.
• Возбуждённые светом пары электронов и дырок существовали дольше до рекомбинации.

Последний показатель важен для работы солнечных элементов: чем меньше носителей заряда теряется внутри материала, тем больше возможностей получить полезный электрический ток. Авторы также проверили подход на разных составах перовскита.

Эффективность и устойчивость проверили в лаборатории

Для изготовленных солнечных элементов и светодиодов авторы сообщают показатели эффективности примерно в диапазоне 24–26%. Эти значения относятся к разным типам устройств и не означают, что солнечная панель промышленного размера достигла того же результата.

Солнечные элементы сохранили большую часть исходной эффективности после восьми недель непрерывной работы под имитатором солнечного света. Такое испытание демонстрирует устойчивость в заданных лабораторных условиях, но не устанавливает многолетний срок службы на улице.

Читайте также: Трёхслойный перовскитный солнечный элемент достиг КПД 30,1% в опыте.

Учёные продолжают изучать другие эвтектические смеси, чтобы лучше управлять ростом кристаллов. Следующие исследования должны показать, насколько универсален механизм и можно ли использовать его для более крупных, воспроизводимых и долговечных устройств.