Материаловеды из МГУ предложили способ повышения эффективности солнечных батарей

Сотрудники факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова объяснили, как изменение соотношения компонентов, из которых формируется светопоглощающий слой перовскитной солнечной ячейки, влияет на структуру получаемых пленок и производительность батарей. Результаты работы были опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry C.

Органо-неорганические перовскиты — это новый класс фотоактивных, то есть реагирующих на свет, материалов. Такое название они получили благодаря сходству по структуре с минералом перовскитом (CaTiO_3, титанат кальция), однако их свойства значительно интереснее. С помощью таких материалов можно создать перовскитные солнечные батареи. Их впервые разработали всего пять лет назад, но по КПД (коэффициент полезного действия) они уже обогнали наиболее распространенные и более дорогие кремниевые солнечные элементы.

В предыдущем исследовании авторы выяснили, что нитевидные гибриды перовскитов имеют такую форму из-за строения промежуточных соединений, образующихся в процессе кристаллизации перовскита. Ученые нашли целую группу этих соединений, все они представляют собой кристаллосольваты. Это кристаллические соединения, в структуре которых располагаются молекулы растворителя исходных компонентов. Растворенные компоненты, выпадая из раствора, образуют пленку, на которой растут кристаллы перовскита.

Ученые выделили и описали три промежуточных соединения, которые являются кристаллосольватами одного из двух растворителей, наиболее часто используемых при создании перовскитных солнечных батарей. Для двух соединений ученые впервые установили кристаллическую структуру.

«Мы выяснили, что ключевым фактором, определяющим функциональные свойства перовскитного слоя, является образование промежуточных соединений, поскольку кристаллиты перовскита наследуют форму промежуточных соединений. Это, в свою очередь, влияет на морфологию пленки и эффективность солнечных батарей. Это особенно важно при получении тонких пленок перовскита, поскольку игольчатая или нитевидная форма кристаллов приведет к тому, что образованная пленка будет несплошной, а это значительно снизит КПД такой солнечной ячейки. Знание о влиянии соотношения исходных реагентов на форму образующихся кристаллов позволит осознанно выбирать условия для получения оптимальных пленок, которые позволят получить перовскитные ячейки с высокой эффективностью», — рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ.

Поскольку такие промежуточные соединения нестабильны, авторы использовали синхротронное излучение и низкие температуры, чтобы заморозить кристаллы, охлаждая их до температуры -173 °С. Заморозка позволила ученым остановить разрушение кристаллов и провести необходимые измерения, чтобы затем расшифровать структуру сольватов.

Дополнительно авторы исследовали термическую стабильность полученных соединений и с помощью квантово-химического моделирования рассчитали энергию их образования. Вычислив энергию образования соединений, можно объяснить, почему при использовании различных растворителей образуются определенные кристаллы.

Также авторы выяснили, что соотношение реагентов в растворе определяет, какое именно промежуточное соединение образуется в процессе кристаллизации. Кристаллическая структура промежуточного соединения задает форму образующихся кристаллов перовскита, что определяет структуру светопоглощающего слоя. Эта структура, в свою очередь, влияет на производительность получаемой солнечной батареи.

Исследование проходило в сотрудничестве с учеными Курчатовского центра синхротронного излучения и Федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария.

Фото: Кристаллические структуры кристаллосольватов. Источник: Алексей Тарасов