Как уменьшить ионные потери в перовскитных солнечных элементах на основе олова

Батарея TROJAN 31XHS

Исследователи из Германии разработали процесс изготовления солнечных элементов на основе перовскита на основе олова без использования ДМСО, который значительно снижает плотность ионов – более чем в десять раз ниже, чем в устройствах на основе свинца, - что приводит к повышению стабильности.

Исследовательская группа под руководством учёных из Берлинского центра материалов и энергетики имени Гельмгольца (HZB) и Потсдамского университета в Германии разработала альтернативный процесс с использованием диметилсульфоксида (ДМСО) для перовскитных солнечных элементов на основе олова. Плотность ионов в них ниже, чем в устройствах на основе свинца.

“Наше исследование является первым, в котором сравниваются пути ионной деструкции перовскитов свинца и олова в различных растворителях, демонстрируя явное преимущество олова и обработки без использования ДМСО. Как хорошо известно, миграция ионов является основным препятствием для стабильных перовскитных солнечных элементов и полной коммерциализации технологии ”, - сказал Артем Мусиенко, автор-корреспондент исследования.

По словам команды исследователей, плотность ионов была изучена в четырёх солнечных элементах, каждый из которых был изготовлен с использованием широко распространённых составов перовскита. Один из них представлял собой солнечный элемент на основе тройного катионного перовскита со свинцом (Pb) и эффективностью 21,5 %, с составом Cs0,05(MA0,02FA0,98)0,95Pb(I0,98Br0,02)3, который в исследовании обозначен как CsMAFAPbI3.

Другим устройством с эффективностью 14,2 % было устройство, в котором в качестве катионов в позиции B в перовскитном составе (Cs0,1MA0,3FA0,6)(Pb0,5Sn0,5)I3 использовалось олово (Sn) в соотношении Pb-Sn 50:50.

Третьим был бессвинцовый перовскит FA0.87PEA0.13SnI3, содержащий только олово, который получил название FASnI3. Четвёртым также был FASnI3, но он был изготовлен без использования растворителя диметилсульфоксида (ДМСО), а вместо него использовалась смесь диметилформамида (ДМФ) и 1,3-диметил-2-имидазолидинона (ДМИ), что позволило обойтись без ДМСО. КПД устройств на основе олова составил 6,8 % и 5,6 % соответственно.

Мусиенко объяснил, что растворитель DMF-DMI был выбран в ходе предыдущих исследований как стабильный способ обработки перовскитов олова в качестве альтернативы диметилсульфоксиду, который, как он отметил, может вызывать окисление олова.

Ученые провели количественные измерения плотности ионов и их миграции в материале. Для этого были использованы измерения зависимости плотности тока от напряжения (J-V), быстрый гистерезис, измерения извлечения заряда с помощью смещения, измерения переходной фотолюминесценции в зависимости от напряжения и быстрый гистерезис в зависимости от температуры, а также несколько других тестов для подтверждения выводов.

Они обнаружили, что в перовскитном солнечном элементе на основе свинца «самая высокая плотность ионов — более 1017 см–3» Добавление олова в образец Pb–Sn немного снизило плотность ионов до 9 × 1016 см3, в то время как в устройствах на основе олова, изготовленных с использованием растворителя диметилсульфоксид, плотность ионов была ниже — 8,7 × 1016 см3.

Что касается устройств на основе олова, изготовленных с использованием растворителя DMF-DMI, то у них была «самая низкая плотность ионов — 2,2 × 1016 см–3». Исследователи отметили, что это «более чем в 10 раз ниже, чем у перовскитов на основе свинца», и добавили, что образцы на основе олова показали «минимальные ионные потери» и сохранили 80 % первоначальной эффективности преобразования энергии после 600-часовых испытаний на старение.

«Следующий шаг — дальнейшее снижение ионных потерь и повышение долгосрочной стабильности перовскитов на основе олова в реальных условиях эксплуатации», — сказал Мусиенко, добавив, что «значительные усилия» направлены на повышение эффективности устройств, чтобы они приблизились к уровню эффективности в 27 %, который был достигнут для устройств на основе свинца.

Команда также ищет более подходящие интерфейсы и архитектуры устройств на основе оловянных перовскитов. «Недавно мы обнаружили, что положение энергетических уровней в перовскитных поглотителях на основе олова принципиально отличается от положения уровней в системах на основе свинца», — сказал Мусиенко.

Чтобы ускорить разработку подходящих интерфейсных слоёв и селективных контактных материалов, он отметил, что ведётся работа над «полностью автоматизированной высокопроизводительной лабораторией для подбора, определения характеристик и оптимизации материалов для солнечных батарей с использованием технологий искусственного интеллекта, таких как модели машинного обучения и большие молекулярные базовые модели для обратного проектирования материалов».

Проект финансируется Федеральным министерством исследований, технологий и космоса Германии (BMFTR) в рамках программы NanoMatFutur, которая поддерживает недавно созданную группу молодых исследователей, возглавляемую Артемом Мусиенко.

Результаты исследования представлены в статье «Минимизация ионных потерь в перовскитных солнечных элементах на основе олова без диметилсульфоксида», которая была недавно опубликована в ACS Energy Letters. В команду вошли исследователи из Гонконгского университета.