Команда под совместным руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) показала, как перовскитные солнечные элементы можно сделать одновременно эффективнее и стабильнее. Исследователи добавляют в перовскитный раствор специальную смесь, которая на короткое время превращается в жидкость прямо в процессе кристаллизации, помогает вырастить более качественные кристаллы — и исчезает, оставляя материал с меньшим количеством дефектов.
Коротко:
- Добавка — смесь бромида цинка (ZnBr₂) и хлорида метиламмония (MACl), образующая временную эвтектическую жидкость.
- Механизм роста кристаллов описывается как «твёрдое тело → жидкость → твёрдое тело».
- Эффективность солнечных элементов и светодиодов — 24–26%.
- Элементы сохранили бо́льшую часть начальной эффективности после 8 недель непрерывной работы под имитированным солнцем.
Как работает «исчезающая» жидкость
Перовскиты — перспективный класс полупроводников, которые можно осаждать из раствора в виде тонких плёнок.
По данным techxplore.com, авторы работы добавили в перовскитный прекурсор смесь ZnBr₂ и MACl. При нагревании эта смесь образует эвтектику, которая временно переходит в жидкое состояние. В жидкой фазе кристаллы перовскита растут крупнее и однороднее, с меньшим числом структурных дефектов. Затем хлорид метиламмония испаряется, а цинк концентрируется на границах зёрен — именно там, где без него возникают электронные ловушки.
Итоговый механизм исследователи называют «solid-liquid-solid»: твёрдое тело → жидкость → твёрдое тело. Его подтвердили с помощью усовершенствованных техник рентгеновской визуализации.
«Мы вводим новый способ управлять ростом галогенидных перовскитов через добавку, которая активно изменяется в процессе кристаллизации. И что особенно важно — конечный продукт устраняет дефекты, ограничивающие характеристики», — Connor Dolan, аспирант лаборатории Дэвида Феннинга в UC San Diego.
Что показали измерения
Перовскитные солнечные элементы и светодиоды, изготовленные по новому рецепту, продемонстрировали эффективность в диапазоне от 24% до 26%.
Авторы отдельно сообщают о рекорде другого рода: в материале зафиксированы наиболее долгоживущие пары электрон-дырка из когда-либо задокументированных для любого полупроводника с прямой запрещённой зоной. Для солнечной энергетики это означает, что сгенерированные светом носители заряда дольше «живут» до рекомбинации — и бо́льшая их доля успевает стать электрическим током.
Авторы также отмечают, что метод сработал для различных химических составов перовскита, которые они проверяли. Работа опубликована в журнале Science (DOI: 10.1126/science.aeb4554) в сотрудничестве с Princeton University и Sungkyunkwan University; первый автор публикации — Jason J. Yoo.
«Казалось, что всё, что мы пробовали, работает. Надеюсь, этот механизм окажется действительно универсальным», — Connor Dolan.
Почему это важно для солнечной энергетики
Два главных препятствия для перовскитов на пути из лаборатории в промышленное производство — воспроизводимость (кристаллы растут по-разному от образца к образцу) и стабильность. Предложенный подход работает сразу с обеими проблемами: эвтектическая жидкость помогает получить более однородные плёнки, а остаточный цинк на границах зёрен нейтрализует дефекты.
Для отрасли это аргумент в пользу того, чтобы пристальнее изучать химию добавок как способ выращивать лучшие перовскиты без усложнения оборудования. Если механизм действительно окажется универсальным, его можно будет перенести и на тандемы перовскит/кремний, где перовскитный верхний элемент отвечает за дальнейший рост КПД (подробнее — в нашем материале о тандемных элементах). Для тех, кто следит и за другими направлениями повышения эффективности, полезен контекст в материале об органических солнечных элементах.
Пока речь идёт о лабораторных образцах и результатах, опубликованных в Science, а не о готовом промышленном процессе. Но сам факт, что жидкая фаза существует лишь временно и «после себя» оставляет полезную для материала химию, — интересный инженерный приём, который вполне может упростить путь перовскитов к серийным панелям.
Источники: techxplore.com, Science (DOI)
Иллюстрация создана с помощью ИИ
Материал подготовлен редакцией Alternative Energy с помощью ИИ на основе указанных источников; факты и цифры сверены с ними в ходе автоматической редакторской проверки. Как мы готовим материалы