В МГУ разработали новую стратегию получения перовскитных солнечных ячеек

Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах при участии коллег с химического факультета МГУ разработали новый метод, позволяющий получать высококристалличные пленки органо-неорганических перовскитов для солнечных ячеек. Результаты работы опубликованы в журнале Materials Horizons.

Ранее мы уже рассказывали об исследовании нанонитей гибридных органо-неорганических перовскитов, являющихся перспективными материалами для создания светодиодов, лазеров и фотодетекторов на их основе. Однако наиболее многообещающей областью применения таких материалов является разработка перовскитных солнечных ячеек — фотовольтаических устройств нового поколения, эффективность которых за последние 5 лет возросла в несколько раз и сегодня составляет уже более 22%. Это существенно превышает максимальную эффективность, которую получили для солнечных ячеек на поликристаллическом кремнии. Эффективность наиболее распространенных солнечных ячеек, производимых в промышленном масштабе, составляет 12-15%.

При контакте двух порошков реагентов при комнатной температуре всего за несколько секунд образуется вязкая темная жидкость — полииодиды метиламмония. Источник: Алексей Тарасов

В настоящее время существует два основных подхода к получению таких материалов: нанесение реагентов из газовой фазы и кристаллизация из растворов. Работа по совершенствованию этих методов в последние годы ведется очень интенсивно, но возможности подходов практически исчерпаны. Разработка новых методов создания материалов для фотовольтаики в связи с этим может дать новый рывок в развитии области.

«В ходе исследований мы обнаружили несколько новых соединений — жидких при комнатной температуре полииодидов, обладающих уникальными свойствами. На вид это вязкие жидкости темно‑коричневого цвета с металлическим отблеском, получаемые из двух твердых порошков, которые буквально плавятся на глазах при смешении. Жидкое состояние таких соединений позволяет не использовать опасные растворители, а их химический состав способствует образованию необходимого перовскита при контакте с пленкой металлического свинца или его соединениями. В результате химической реакции между пленкой свинца и жидкими полииодидами образуется пленка перовскита, состоящая из крупных взаимопроникающих кристаллов», — рассказал кандидат химических наук Алексей Тарасов, заведующий лабораторией новых материалов и руководитель исследования.

Пленки из жидких полииодидов наносят на свинец с помощью так называемого метода спин-коатинга. Для этого стеклянная подложка, на которую с помощью термического напыления нанесен слой свинца, закрепляется на вращающемся стержне и приводится во вращение. 

Микрофотографии пленок перовскита с различной морфологией, полученные с помощью разработанного метода. Источник: Алексей Тарасов

На вращающуюся подложку накапывается полииодид, после этого избыток непрореагировавшего полииодида смывается растворителем изопропанолом. В результате получаются пленки перовскита толщиной от 200 до 700 нм. Их устойчивость определяется в первую очередь самим материалом, из которого они состоят. Сотрудники факультета наук о материалах продемонстрировали возможность варьирования состава наносимых полииодидов, и, как следствие, можно будет подобрать состав, обладающий оптимальной стабильностью.

«Пленка из перовскитов проявляет интенсивную фотолюминесценцию и большие времена жизни носителей зарядов, что обеспечивает хорошие функциональные свойства. В работе мы также продемонстрировали возможность получать пленки перовскитов различного состава при использовании смесей полииодидов. Исследования в области перовскитной фотовольтаики наша группа ведет при поддержке гранта ФЦП Минобрнауки РФ совместно с индустриальным партнером, компанией "Евросибэнерго"», — прокомментировал Алексей Тарасов.

В настоящее время в лаборатории продолжаются работы по исследованию свойств обнаруженных полииодидов и разработке на их основе технологии получения солнечных ячеек с высокой эффективностью.

Исследование выполнено совместно с учеными из Федеральной политехнической школы Лозанны.

Фото: Получение высококристалличной пленки органо-неорганических перовскитов. Источник: Алексей Тарасов