Материаловеды научились управлять кристаллизацией гибридных перовскитов

Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ  изучили процессы формирования светопоглощающего слоя перовскитных солнечных батарей и открыли четыре новых соединения, которые образуются на начальном этапе его кристаллизации. Результаты работы опубликованы в престижном международном журнале Chemistry of Materials.

Перовскитные солнечные батареи – новое поколение устройств, преобразующих энергию солнечного света в электричество. В настоящее время КПД таких устройств составляет более 25%, превышая рекордные значения наиболее распространенных сегодня солнечных батарей на основе поликристаллического кремния. 

Основа перовскитного солнечного элемента представляет собой тонкий слой кристаллического светопоглощающего материала – гибридного перовскита. Этот материал имеет такую же структуру, как одноименный минерал «перовскит», и совсем другой химический состав. В отличие от природного минерала с формулой CaTiO₃, гибридные перовскиты, синтезируемые в лаборатории и используемые для солнечных батарей, состоят из органических ионов (метиламмоний, формамидиний) и неорганических (ионы свинца, брома, йода). Поскольку такие соединения сочетают органическую и неорганическую части, их называют гибридными, а их общая формула может быть представлена как APbX₃ (A = MA, FA; X = I, Br). 

Химический состав гибридного перовскита определяет его свойства – например, насколько хорошо он будет поглощать свет и насколько устойчив будет к факторам окружающей среды. Последние исследования в области перовскитных элементов показали, что использовать катион формамидиния предпочтительнее, чем катион метиламмония: получаемые на его основе перовскитные солнечные батареи обладают большей стабильностью и эффективностью. 

В отличие от других светопоглощающих материалов, гибридные перовскиты имеют важное преимущество – их можно получать кристаллизацией из растворов в органических растворителях (DMF или DMSO). И хотя количество работ, посвященных растворным методам получения гибридных перовскитов исчисляется уже тысячами, механизм кристаллизации, критически влияющий на свойства получаемого материала, по-прежнему оставался малоизученным. 

Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ ранее установили, что кристаллизацией гибридного перовскита MAPbI₃ из DMF можно управлять, контролируя образование промежуточных фаз, а изучение взаимодействия перовскитов с растворителями позволило сотрудникам разработать новую систему классификации растворителей. 

В новой работе сотрудники лаборатории рассмотрели все возможные составы кристаллизуемой системы – варьировали тип катиона, аниона, тип растворителя, а также соотношение исходных реагентов в растворе – и установили, какие соединения образуются в ходе кристаллизации данных систем. Отдельное внимание было уделено системе с катионом формамидиния, которая в настоящее время считается наиболее перспективной для создания высокоэффективных перовскитных солнечных элементов. В ходе работы были обнаружены четыре новые промежуточные фазы с этим катионом и показаны существенные различия в пути кристаллизации в зависимости от состава раствора. 

«Эта работа имеет фундаментальное значение, поскольку мы изучили пути кристаллизации для всех возможных случаев. Это позволило показать полную и завершенную картину того, какие промежуточные соединения могут образовываться при кристаллизации перовскитов с различным составом из различных растворителей. Полученные результаты имеют также непосредственную практическую значимость. Как было показано нами ранее, путь кристаллизации напрямую обусловливает свойства получаемого материала. Благодаря нашей новой работе стало известно, какие продукты могут образоваться при получении гибридных перовскитов и как следует выбирать состав, чтобы управлять кристаллизацией. Таким образом, рациональный выбор составов и контроль условий кристаллизации позволят получить более стабильные и эффективные перовскитные солнечные батареи», – рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ и старший научный сотрудник химического факультета МГУ. 

Отдельно стоит отметить, что в работе принял участие студент 4-го курса факультета наук о материалах Университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне Ли Юймао. Это уже вторая опубликованная работа в области перовскитных солнечных элементов, выполненная при участии студентов ФНМ Университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне. 

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (№18-73-10224).

Рисунок. Кристаллическая структура перовскита