Ученые решили важную проблему перовскитных солнечных батарей

Перовскитные солнечные батареи на основе йодоплюмбата формамидиния (FAPbI₃) считаются одними из самых перспективных благодаря своей высокой эффективности, сопоставимой с характеристиками лучших образцов на основе кристаллического кремния. Однако у них есть «ахиллесова пята» — фазовая нестабильность. При комнатной температуре идеальная фотоактивная α-фаза материала стремится превратиться в «балластную» гексагональную δ-фазу, которая не генерирует ток. Международная группа исследователей ученых из Китая, России и Южной Кореи (отечественные исследователи представлены ФИЦ ПХФ и МХ РАН) нашла элегантное решение, предложив концепцию «энтропийного молекулярного замка». Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Проблема FAPbI₃ кроется в его хрупкой структуре. Ионы формиамидиния (FA⁺) слабо связаны с неорганическим каркасом из октаэдров [PbI₆]⁴⁻. При нагреве или воздействии влаги ионы начинают смещаться, энтропия (мера беспорядка) системы растет, что и провоцирует нежелательный фазовый переход. Традиционные методы легирования часто лишь отсрочивают проблему, создавая неоднородности, которые в итоге разрушают ячейку.

Авторы статьи предложили кардинально иной подход — не менять состав, а «запереть» структуру извне. В роли своеобразного молекулярного замка выступило органическое соединение 1-пиридин-3-илметил-пиперазиния гидрохлорид (3-ПМПХ). Эта молекула обладает важными свойствами: она относительно гибкая, эпитаксиально соответствует кристаллической решетке FAPbI3 и имеет два стерически доступных хелатирующих активных центра. Такие молекулы (пиколилзамещенные пиперазины)в качестве модификаторов перовскитных плёнок были предложены и запатентованы коллективом из ФИЦ ПХФ и МХ РАН под руководством академика С. М. Алдошина и П. А. Трошина в 2020 году, а в рамках международного сотрудничества с использованием этих материалов удалось получить рекордные характеристики в перовскитных солнечных батареях, представленные в статье в Science.