Перовскитные солнечные элементы считаются одним из самых перспективных направлений в солнечной энергетике: они эффективны, дешевы, легки и могут быть гибкими. Однако под действием света их производительность постепенно падает - этот процесс называют фотодеградацией. Для массового использования панели должны годами надежно работать на улице, поэтому фотодеградация остается главным препятствием для коммерциализации.

Исследовательская группа под руководством Ян Гуана, доцента кафедры электротехники и электронной инженерии Гонконгского политехнического университета (PolyU), совместно с коллегами из Чжэцзянского университета обнаружила ранее упускавшуюся из виду причину старения. Работа опубликована в журнале Watt, а ее результаты прокомментировал профессор Нам-Гю Пак из Университета Сонгюнгван (Южная Корея), пионер в области перовскитной фотовольтаики.

Слой, генерирующий электричество, состоит из множества мельчайших кристаллов - зерен. Поверхность каждого зерна имеет определенную ориентацию, называемую кристаллической гранью. В элементах со смешанными гранями соседствуют зерна с разными гранями, и места их соединения называют границами зерен. Когда солнечный свет поглощается, образуются отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки. В идеале они создают ток, но на дефектах границ зерен могут захватываться и взаимно уничтожаться, теряя энергию и постепенно повреждая элемент.

Команда выяснила: когда рядом находятся зерна с двумя распространенными гранями - (100) и (111), потери заряда по разные стороны границы оказываются неравномерными. На стороне (111) больше дефектов, в основном вакансий - пустых мест, где должны были бы находиться ионы формамидиния (FA). В результате там возникает аномальное накопление дырок. Грань (111) сама по себе более устойчива к свету, но из-за накопления дырок неожиданно начинает разрушаться быстрее, становясь источником старения всего элемента. Это показывает, что срок службы зависит не только от стабильности каждого зерна, но и от взаимодействия соседних зерен.

Чтобы устранить эту причину деградации, исследователи добавили соединение 3-фторфенилэтиламмоний бромид (м-Ф-ФЭАБр). Его молекулы слишком крупные, чтобы проникнуть внутрь зерен, поэтому они скапливаются на границах. Положительно заряженный конец молекулы занимает место недостающих ионов FA и заполняет вакансии на границах (111), а фторсодержащая часть прочно удерживает молекулу. После такой обработки потери заряда с обеих сторон выравниваются, и ни одно место не становится очагом разрушения.

У обработанных элементов коэффициент преобразования энергии достиг 26,55%. Кроме того, после более чем 2200 часов непрерывной работы под освещением, эквивалентным одному солнцу, они сохранили свыше 90% начальной эффективности. Этот показатель, называемый рабочим ресурсом T90, считается ключевым индикатором долговечности.

"Перовскитные солнечные элементы уже очень эффективны, но стабильность остается главным барьером для коммерциализации. Предыдущие исследования в основном сосредотачивались на снижении числа дефектов. Мы впервые показали, что неравномерные потери заряда между соседними зернами - ключевая причина старения во время работы, - отметил Ян Гуан. - Балансируя потери заряда между зернами, мы можем улучшить и эффективность, и стабильность. Это дает новое понимание старения элементов и открывает путь к созданию более долговечных коммерчески жизнеспособных перовскитных солнечных элементов".

Следует подчеркнуть: речь идет о лабораторных образцах, а не о готовых панелях, доступных для покупки. Пока не ясно, как технология поведет себя в реальных условиях и при массовом производстве.

Источник: Tech Xplore