Стабилизация перовскитных солнечных элементов с помощью хлора

Аккумулятор FIAMM FG 21202

Исследователям удалось предотвратить образование желтой фазы при разложении элементов на основе йодида свинца и формамидина. Для этого они скорректировали процессы образования и разложения с помощью специальных добавок. Исследователь: Добавки стабилизируют систему.

Исследовательской группе из Университета Райса в Техасе удалось предотвратить образование желтой фазы при разложении однопереходных перовскитных солнечных элементов на основе иодида свинца и формамидина (FAPI). Солнечные элементы на основе FAPI имеют почти оптимальную ширину запрещенной зоны от 1,45 до 1,5 эВ и превосходную термическую стабильность, однако их полезная структура в виде черного кристалла нестабильна и при комнатной температуре склонна к превращению в неактивную желтую фазу.

«Ключевая новизна этой работы заключается в том, что она показывает, что с помощью определенных добавок можно регулировать как пути образования, так и пути разрушения перовскита. Это исследование впервые демонстрирует, что хлор встраивается в кристаллическую решетку перовскита, создавая энергетически затратный путь разрушения, — рассказал автор исследования Адитья Д. Мохите в интервью. — При таком подходе с использованием дополнительных веществ хлорид формамидина обеспечивает ступенчатый переход и подтверждает встраивание хлора, а двумерный перовскит служит матрицей для роста кристаллов». Вместе обе добавки вызывают деформацию сжатия, тем самым стабилизируя систему.

Мохайт сравнил ступенчатый фазовый переход с подъемом по лестнице, когда вы контролируемо и легко поднимаетесь ступенька за ступенькой, а не пытаетесь перепрыгнуть через несколько ступенек сразу. «Совместное действие двух добавок способствует превосходной кристаллизации за счет равномерного и постепенного перехода, вызывающего сжимающую деформацию и придающего системе исключительную стабильность, — сказал он. — Это исследование впервые демонстрирует, что хлор встраивается в кристаллическую решетку перовскита, создавая энергетически затратный путь разрушения».

В начале исследования команда провела эксперименты по формированию пленок in situ и изучила их свойства с использованием нескольких добавок с хлором и без него. Согласно полученным результатам, комбинация из 15 мол. % FACl и 0,5 мол. % BA2PbI4, или пленка FAPI-CA, обеспечивала наилучший путь кристаллизации для всех политипов. Основываясь на этом выводе, они провели ускоренные исследования деградации, подвергая плёнки воздействию 15-сантиметровых солнечных лучей в инертной атмосфере при постепенном повышении температуры с 65 °C до 75 °C и, наконец, до 90 °C в течение более 400 часов. С помощью рентгеновской дифракции они отслеживали структурные изменения и пути деградации с течением времени.

Пути образования и разрушения

«Это исследование показало, что хлор встраивается в кристаллическую решетку перовскита. В более ранних работах предполагалось, что хлор покидает кристаллическую решетку. Присутствие хлора в кристаллической решетке приводит к ступенчатому фазовому переходу, тем самым уменьшая количество микроскопических дефектов желтой фазы (или дельта-фазы)», — пояснил Мохайт. «Кроме того, хлор меняет традиционный путь разрушения через желтую фазу. Эта стратегия совместного добавления компонентов позволяет полностью исключить этот путь и, как ни удивительно, обеспечивает другой, энергетически невыгодный механизм перехода, тем самым создавая наилучшие условия для стабильности перовскитов».

После этого группа протестировала пленки FAPI-CA в наборе устройств с архитектурой, состоящей из легированного фтором оксида олова (FTO), самоорганизующегося монослойного контакта со смесью фосфоновой кислоты и карбазола, селективного к дырочкам контакта, поглотителя FAPI, слоя переноса электронов из бакминстерфуллерена (C₆₀) (ETL), буферного слоя из батокупроина (BCP) и металлического контакта из меди (Cu).

Наилучшее устройство показало эффективность преобразования энергии на уровне 25,1 % при среднем показателе 24,1 % для 40 устройств. «Перовскитные солнечные элементы, изготовленные с использованием этого метода двойной аддиции, сохраняют 98 % своей первоначальной эффективности после 1200 часов ускоренного старения при напряжении холостого хода 85 °C», — сказал Мохайт.

Результаты исследования были представлены в статье «Обход желтой фазы для получения чрезвычайно стабильных перовскитных солнечных элементов на основе йодида свинца и формамидина», опубликованной в Science. В исследовании также приняли участие ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Северо-Западного университета и компании DirectH2 в США, Кембриджского университета в Великобритании, а также Университета Лилля, Реннского университета и Национального института прикладных наук Ренна во Франции.