Российские исследователи и их зарубежные коллеги по-новому взглянули на проблему стабильности перовскитных фотоэлементов — одной из ключевых технологий будущей солнечной энергетики. Работа показывает, что долговечность устройств можно существенно увеличить за счет изменения химии поверхности электронно-транспортного слоя на основе оксида цинка.
В исследовании приняли участие специалисты из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Физического факультета Гонконгского университета (Китай) и хорватского Института Руджера Бошковича (Загреб). Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.
Солнечные элементы на базе синтетических перовскитов за последние годы достигли эффективности свыше 26%, однако их коммерческое внедрение сдерживается недостаточной устойчивостью при длительной эксплуатации. Одной из причин ускоренной эксплуатационной деградации является взаимодействие фотоактивного перовскита с оксидом цинка (ZnO), который используется как электронно-транспортный слой благодаря прозрачности, высокой подвижности электронов и возможности низкотемпературного нанесения. Но прямой контакт материалов приводит к разрушению перовскита. Говоря аллегорически, у двух компаньонов не получается долго работать в одной команде.
Аминные группы как защитный барьер
Ученые показали, что ситуация меняется при модификации поверхности ZnO аминными группами —радикалами NH2. Такие группы формируются при нанесении пленок из растворов гидроксида цинка в аммиаке (NH4), метиламине (CH3NH2) или более сложных алифатических аминах. В результате на поверхности образуется электрохимический защитный слой, который стабилизирует перовскитный материал и предотвращает его разрушение.
Эксперименты показали, что синтетический перовскит сохранял свойства более 4000 часов непрерывного освещения без заметной деградации. Другой более стабильный состав демонстрировал устойчивость свыше 5000 часов. Теоретические расчеты подтвердили, что аминные группы формируют прочные связи на границе ZnO/перовскит и препятствуют образованию продуктов распада, включая йодид свинца PbI₂.
Перспективы для солнечной энергетики
Лабораторные образцы устройств с такой пассивацией сохраняли около 68% исходной эффективности после 2500 часов непрерывного освещения, тогда как элементы с традиционным ацетатным ZnO деградировали значительно быстрее. Авторы отмечают, что управление поверхностной химией одного и того же материала позволяет радикально менять его свойства и открывает путь к более долговечным солнечным элементам.
Подход потенциально применим и к другим оксидным слоям — например, на базе диоксидов титана и олова (TiO₂ и SnO₂), которые также используются в перовскитной фотовольтаике. Это делает разработку универсальным инструментом повышения стабильности устройств нового поколения.
Любопытные факты
За последние десять лет эффективность перовскитных фотоэлементов выросла с 4% до более чем 25%, что делает их одним из самых быстроразвивающихся направлений солнечной энергетики (по данным научных публикаций и отраслевых обзоров). Тандемные кремний-перовскитные элементы уже демонстрируют эффективность свыше 30%, превосходя теоретический предел для кремния, что усиливает интерес к технологии.
Одной из главных проблем перовскитов остается именно деградация под действием света, влаги и температуры — поэтому большинство современных исследований сосредоточено на стабилизации интерфейсов и пассивации дефектов. В работе подчеркивается, что целенаправленный контроль химии поверхности оксида цинка способен одновременно повысить эффективность и долговечность устройств, открывая новое направление развития перовскитной фотовольтаики.
Между тем в России уже создали инновационные перовскитные элементы для космических солнечных батарей. Подробности — в статье Hi-Tech Mail.
Источник: hi-tech.mail.ru