Команда за спільного керівництва Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (UC San Diego) показала, як перовскітні сонячні елементи можна зробити одночасно ефективнішими й стабільнішими. Дослідники додають у перовскітний розчин спеціальну суміш, яка на короткий час перетворюється на рідину просто під час кристалізації, допомагає виростити якісніші кристали — і зникає, залишаючи матеріал із меншою кількістю дефектів.
Коротко:
- Добавка — суміш бромиду цинку (ZnBr₂) і хлориду метиламонію (MACl), яка утворює тимчасову евтектичну рідину.
- Механізм росту кристалів описують як «тверде тіло → рідина → тверде тіло».
- Ефективність сонячних елементів і світлодіодів — 24–26%.
- Елементи зберегли більшу частину початкової ефективності після 8 тижнів безперервної роботи під імітованим сонцем.
Як працює «зникаюча» рідина
Перовскіти — перспективний клас напівпровідників, які можна осаджувати з розчину у вигляді тонких плівок.
За даними techxplore.com, автори роботи додали в перовскітний прекурсор суміш ZnBr₂ і MACl. При нагріванні ця суміш утворює евтектику, яка тимчасово переходить у рідкий стан. У цій рідкій фазі кристали перовскіту ростуть більшими й однорідніші, з меншою кількістю структурних дефектів. Далі хлорид метиламонію випаровується, а цинк концентрується на межах зерен — саме там, де без нього народжуються електронні пастки.
Підсумковий механізм дослідники називають «solid-liquid-solid»: тверде тіло → рідина → тверде тіло. Його підтвердили за допомогою вдосконалених технік рентгенівської візуалізації.
«Ми вводимо новий спосіб керувати ростом галогенідних перовскітів через добавку, що активно змінюється під час кристалізації. І що найкрутіше — кінцевий продукт прибирає дефекти, які обмежують характеристики», — Connor Dolan, PhD-випускник лабораторії Девіда Феннінга в UC San Diego.
Що показали вимірювання
Перовскітні сонячні елементи та світлодіоди, виготовлені за новим рецептом, продемонстрували ефективність у діапазоні від 24% до 26%.
Окремо автори повідомляють про рекорд іншого типу: у матеріалі зафіксовано найдовговічніші пари електрон-дірка з будь-коли повідомлених для будь-якого напівпровідника з прямою забороненою зоною. Для сонячної енергетики це означає, що згенеровані світлом носії заряду довше «живуть» до того, як рекомбінують, — і більша їх частка встигає стати струмом.
Автори також зазначають, що метод спрацював для різних хімічних складів перовскіту, які вони перевіряли. Робота опублікована в журналі Science (DOI: 10.1126/science.aeb4554) у співпраці з Princeton University та Sungkyunkwan University; перший автор публікації — Jason J. Yoo.
«Складалося враження, що все, що ми пробували, працює. Я сподіваюся, що цей механізм може виявитися справді узагальнюваним», — Connor Dolan.
Чому це важливо для сонячної енергетики
Дві головні перепони перовскітів на шляху з лабораторії у промислове виробництво — відтворюваність (кристали ростуть по-різному від зразка до зразка) і стабільність. Запропонований підхід працює одразу з обома проблемами: евтектична рідина допомагає отримати однорідніші плівки, а залишковий цинк на межах зерен нейтралізує дефекти.
Для галузі це аргумент уважніше дивитися саме на хімію добавок як на спосіб вирощувати кращі перовскіти без ускладнення обладнання. Якщо механізм справді виявиться універсальним, його можна буде перенести й на тандеми перовскіт/кремній, де перовскітний верхній елемент відповідає за подальше зростання ефективності (докладніше — у нашому матеріалі про тандемні елементи). Для тих, хто стежить і за іншими напрямами підвищення ефективності, корисним буде контекст у матеріалі про органічні сонячні елементи.
Поки що йдеться про лабораторні зразки й результати, що опубліковані в Science, а не про готовий промисловий процес. Але сам факт, що рідка фаза існує лише тимчасово й «після себе» залишає корисну для матеріалу хімію, — цікавий інженерний прийом, який цілком може спростити шлях перовскітів до серійних панелей.
Джерела: techxplore.com, Science (DOI)
Ілюстрація створена за допомогою ШІ
Матеріал підготовлено редакцією Alternative Energy за допомогою ШІ на основі зазначених джерел; факти й цифри звірено з ними під час автоматичної редакторської перевірки. Як ми готуємо матеріали