Соли пиперидиния повысили стабильность перовскитных солнечных батарей

Материаловеды повысили стабильность и эффективность широкозонных перовскитных солнечных элементов, которые можно использовать в качестве верхней части тандемного солнечного модуля. Добавка соли замещенного пиперидиния в перовскитный слой предотвращает окисления анионов иода до молекулярного иода, в результате чего солнечные элементы сохраняют 95 процентов своей эффективности после 1000 часов работы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Тандемные солнечные модули состоят из двух полупроводниковых солнечных элементов, расположенных друг под другом. Сначала солнечный луч проходит через верхний полупрозрачный полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, где поглощаются самые высокоэнергетические фотоны (с меньшей длиной волны). Фотоны с меньшей энергией проходят насквозь и поглощаются в нижнем полупроводнике с меньшей величиной запрещенной зоны. Таким образом, тандемная архитектура позволяет максимально эффективно использовать весь спектр солнечного излучения.

В качестве нижней части тандема чаще всего используют кремний, а для верхней одним из лучших материалов считаются широкозонные перовскитные полупроводники на основе смешанных галогенидов свинца с добавками цезия и брома. В начале 2020 года тандем кремний-перовскит достиг эффективности в 29,1 процента — это почти на 3 процента больше, чем рекордная эффективность кремниевых солнечных элементов. Для коммерческого использования кремний-перовскитному тандему пока что не хватает стабильности. «Слабое звено» таких тандемов — конечно, перовскит: если кремниевые солнечные элементы сохраняют свою эффективность в течение десятков лет, то лучшие перовскиты выдерживают пока только несколько тысяч часов работы. 

Солнечные элементы на основе широкозонных перовскитов считаются более стабильными, чем стандартные перовскиты — они не содержат в своем составе метиламмония, который очень чувствителен к термическому стрессу, однако у таких устройств есть и серьезный недостаток. Дело в том, что при изготовлении монолитных тандемов все слои перовскитного солнечного элемента нужно последовательно наносить на готовый кремниевый солнечный элемент — нижнюю часть будущего тандема. Чтобы не повредить кремниевый элемент, синтез проводят в мягких условиях, при температуре не выше 200 градусов Цельсия. Этой температуры вполне достаточно для кристаллизации перовскитного активного слоя, но не всегда достаточно для нанесения транспортных слоев, которые располагаются сверху и снизу от активного слоя и обеспечивают разделение зарядов в солнечном элементе. В тандемных солнечных элементах нельзя использовать оксидные транспортные слои, для кристаллизации которых нужна высокая температура (более 400 градусов Цельсия), поэтому их приходится заменять на органические и полимерные материалы, которые могут быть менее стабильными. Кроме того, оказалось, что использование полимерных транспортных слоев, которое часто бывает причиной низкой стабильности перовскитных солнечных элементов, в данном случае наоборот было полезным для стабильности. В солнечных элементах с оксидным транспортным слоем, ионные добавки нередко скапливаются на границе активного и транспортного слоев, а в глубине перовскитного слоя их концентрация невысока. А в солнечном элементе с полимерным транспортным слоем , согласно данным микроскопии, добавка BMP оказалась распределена более равномерно по всему перовскитному слою, поэтому ее стабилизирующее действие усилилось.