Найден способ продлить срок службы перовскитных солнечных батарей

Исследователи из России и Тайваня выяснили, из-за чего перовскитные солнечные батареи начинают быстро деградировать и как эту деградацию можно остановить. Исследование опубликовано в журнале Nano Energy.

Современные солнечные кремниевые батареи сегодня практически достигли своего предела эффективности. Поэтому ученые ищут альтернативные варианты, которые будут превосходить кремниевые. Одним из перспективных направлений стала разработка солнечных батарей на основе органо-неорганических перовскитов. Это соединения, структура которых подобна титанату кальция (CaTiO₃), где присутствуют один анион (отрицательно заряженный ион) и два катиона (положительно заряженные ионы). Анион, чаще всего окислитель из ряда галогенов, заменяет позицию кислорода, один из катионов — позицию кальция, второй — титана. Эффективность перовскитных солнечных батарей уже достигла 25,2%, а в будущем может повыситься до 36%. Для сравнения, они уже обогнали по КПД традиционные солнечные батареи. Перовскитные батареи дешевы и экологичны, но их широкому применению мешает их недолговечность. Обычно они могут прослужить не более трех месяцев, тогда как традиционные кремниевые батареи служат около 25 лет.

Российские и тайваньские ученые нашли способ, как увеличить стабильность перовскитных солнечных батарей. Исследуя гибридные перовскиты галогенидов свинца, исследователи нашли механизм, который позволяет остановить процесс их деградации. «Обычно ограничиваются рассмотрением так называемых остовных электронных уровней, которые располагаются на внутренней оболочке атомов, ближе к их ядру. Предмет нашего внимания помимо остовных — валентные уровни на внешних электронных оболочках, где непосредственно образуются химические связи. Работать с валентными уровнями гораздо сложнее, к тому же считается, что они слабо изменчивы для используемых нами методов. С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии мы селективно, возбуждая каждый сорт атомов, отследили атомы в исходном положении. Затем — в переходном состоянии деградации, увидели выделение новых фаз йодида свинца (PbI₂), косвенно подтвердив формирование летучих йодметана CH₃I и аммиака NH₃. В итоге мы показали, что в процессе деградации перовскитов именно в валентных областях происходят значительные изменения», — пояснил один из авторов исследования, доцент кафедры электрофизики УрФУ Иван Жидков.

Главное вещество, которое выделяется при деградации перовскита, — PbX₂, где X — это йод или бром. Оно образуется, когда из перовскита выходят наружу в виде газов йодметан и аммиак, а йодид свинца PbI₂ остается в структуре. На нем появляются дефекты, и чем их больше, тем сильнее деградирует перовскит. Но если помешать увеличению количества дефектов PbI₂ и его дальнейшему разложению до Pb⁰, то возможно предотвратить разложение и всего вещества. Создавая солнечные батареи на основе гибридных галогенидов свинца, ученые смогли уменьшить объем ячейки кристаллической решетки и увеличили ее жесткость. Благодаря этому исследователи смогли затормозить образование дефектов и деградацию перовскита. Ученые также заметили, что замена органического катиона из метиламмония или формамидиния на цезий также в определенных условиях уменьшает количество дефектов.

«Мы показали, что при длительном облучении в полностью неорганическом перовските CsPbI₃ вместо ожидаемого “классического” разложения в действительности сначала наблюдается образование некоторого количества дефектов PbI₂, которые затем прекращают формироваться из-за уплотнения кристаллической решетки и разлагаются на Pb⁰ и I₂ . Таким образом, при испарении йода также образуется металлический свинец, а основная масса перовскита остается в первоначальном виде — CsPbI₃, его разложение останавливается. При этом замена органического катиона на цезий обеспечивает значительное улучшение стабильности перовскита. Отмечу, что образование Pb⁰ при воздействии фотонами на CsPbI₃ выявлено нами впервые в мире»,— подчеркнул Жидков. Ученые надеются, что в результате им удастся создать простые, недорогие и долговечные солнечные панели, энергия которых будет намного дешевле, чем энергия традиционных кремниевых батарей.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.