Ученые создали тандемный солнечный элемент на основе перовскита без PEDOT:PSS с эффективностью 29,1 %
Аккумулятор Challenger A12-120
PEDOT:PSS часто используется в качестве дырочно-транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах, поскольку он сочетает в себе высокую прозрачность, хорошую проводимость и подходящую энергетическую зонную структуру, но его чувствительность к влаге и кислотность могут повредить перовскитные слои и снизить их долговременную стабильность. В отличие от него, самоорганизующийся монослой на основе фенотиазина обеспечивает лучший контроль межфазной границы при кристаллизации, снижает плотность дефектов и позволяет создавать высокоэффективные тандемные устройства на основе перовскита с заявленной эффективностью 29,1%.
Полностью перовскитный тандемный солнечный элемент, созданный Нанкинским университетом
PEDOT:PSS — это смесь проводящих полимеров, которая широко используется в качестве промежуточного слоя для переноса дырок и электродов в солнечных элементах. Она привлекательна тем, что обладает высокой прозрачностью, благодаря чему свет эффективно достигает активного слоя, а также хорошей проводимостью дырок и подходящей работой выхода, что обеспечивает эффективный отвод заряда на границе раздела электродов. Кроме того, из нее можно формировать гладкие однородные пленки, что повышает качество и воспроизводимость устройств.
Однако в тандемных солнечных элементах он может стать проблемой, поскольку его кислотные и гигроскопичные свойства могут привести к разрушению чувствительных слоев, таких как перовскиты. Кроме того, он может способствовать межфазной нестабильности и паразитным потерям, что в конечном итоге снижает долгосрочную эффективность и стабильность работы.
Учитывая это, группа исследователей из Гонконгского университета науки и технологии (HKUST) разработала тандемный солнечный элемент на основе перовскита без PEDOT:PSS, в котором в качестве дырочно-транспортного слоя (HTL) используется монослой фосфоновой кислоты с фенотиазиновой функционализацией.
«Мы разработали двухполюсную монолитную тандемную солнечную батарею на основе перовскита, в которой два перовскитных поглотителя с комплементарными запрещёнными зонами объединены в одну структуру. Это многообещающий способ преодолеть ограничения по эффективности однопереходных солнечных батарей, сохранив при этом преимущества лёгкого и потенциально недорогого производства», — рассказал автор исследования Фэнчжу Ли. «Основная сложность заключается в скрытом интерфейсе перовскитной субячейки с узкой запрещённой зоной. Во многих высокопроизводительных устройствах в качестве материала для переноса дырок используется PEDOT:PSS, но этот полимер может впитывать влагу, вступать в нежелательное взаимодействие с прекурсорами перовскита и способствовать фазовому разделению при кристаллизации. Эти проблемы могут негативно сказаться как на производительности, так и на стабильности устройств.
В исследовании «Кристаллизация с участием интерфейса позволяет создавать полностью перовскитные тандемы без PEDOT:PSS с эффективностью 29,1 % и повышенной долговечностью», опубликованном в Joule, Ли и его коллеги объяснили, что с помощью метода in situ они выяснили, как PEDOT:PSS запускает нестабильный процесс кристаллизации в смешанных олово-свинцовых перовскитных пленках. «Затем мы заменили PEDOT:PSS на самоорганизующийся монослой с фенотиазиновой функционализацией, известный как 4PAPT, который способствует прямому фазовому переходу, улучшает ориентацию кристаллов и подавляет потери из-за безызлучательной рекомбинации», — продолжил он.
Схема солнечного элемента
По имеющимся данным, по сравнению с PEDOT:PSS, 4PAPT обеспечивает более быструю и прямую кристаллизацию перовскита, подавляет образование промежуточной фазы йодида олова и диметилсульфоксида (SnI₂–DMSO), способствует предпочтительной ориентации и повышает межфазную стабильность, что приводит к снижению плотности дефектов и улучшению переноса носителей заряда.
Исследователи также обнаружили, что PEDOT:PSS более подвержен разрушению и нестабильности под воздействием диметилсульфоксида во время обработки, в то время как 4-амино-2-пиридил-1,3,5-триазин сохраняет стабильное смачивание, поддерживая целостность межфазной границы на протяжении всего процесса осаждения. В целом было установлено, что 4-амино-2-пиридил-1,3,5-триазин способствует более быстрой и равномерной кристаллизации и получению более качественных смешанных олово-свинцовых перовскитных плёнок по сравнению с PEDOT:PSS. Ультрафиолетовая и видимая спектроскопия in situ (УФ-видимая спектроскопия) также показала более быструю эволюцию поглощения и фазовый переход в 4PAPT, в то время как PEDOT:PSS демонстрировал более медленную кинетику.
Команда создала тандемный солнечный элемент на основе перовскита, используя многослойную архитектуру устройства с прозрачными электродами из оксида индия и олова (ITO). Нижняя ячейка состояла из перовскитного поглотителя с широкой запрещенной зоной (WBG), сопряженного с производным нафталина на основе карбазола (CbzNaph) в качестве селективного по дыркам слоя, за которым следовал фуллерен (C60) в качестве слоя для переноса электронов и атомно-слоевого осажденного диоксида олова (ALD-SnO₂) в качестве рекомбинационного слоя, дополненного золотым (Au) электродом. Верхняя ячейка была сконструирована с использованием самоорганизующейся монослоистой структуры в качестве интерфейса для переноса дырок в сочетании с перовскитным поглотителем с узкой запрещенной зоной (NBG), слоем для переноса электронов C60, батокупроином (BCP) в качестве слоя, блокирующего экситоны, и серебряным (Ag) задним электродом.
«Наша стратегия создания молекулярных интерфейсов позволила создать однопереходную перовскитную ячейку с узкой запрещенной зоной и эффективностью 23,2 %, — пояснил Ли. — Мы применили эту стратегию для создания монолитных тандемных солнечных элементов из перовскита, разработав самоорганизующуюся молекулярную структуру, в которой тиольные и фосфоновые кислотные группы закреплены на поверхности SnO2/Au. Получившийся плотный молекулярный промежуточный слой обеспечивает эффективный перенос заряда, избегая при этом нестабильности, связанной с PEDOT:PSS».
«Эффективность тандемного солнечного элемента на основе перовскита без PEDOT:PSS составила 29,1 % — это самый высокий показатель среди тандемных конфигураций на основе перовскита без PEDOT:PSS, — добавил Ли. — Герметизированные устройства сохранили 90 % своей первоначальной эффективности после более чем 800 часов работы в режиме отслеживания точки максимальной мощности при искусственном освещении, имитирующем солнечную активность, при температуре около 40 °C».
«Нестабильность PEDOT:PSS — это проблема не только с точки зрения материалов, но и с точки зрения формирования перовскитной пленки на границе раздела. Заменив этот полимер на самоорганизующиеся монослои с молекулярной структурой, мы смогли с самого начала контролировать кристаллизацию и использовать это преимущество в высокоэффективных тандемных устройствах, — подчеркнул соавтор исследования Йен-Хунг Лин. — Тандемные перовскитные солнечные элементы достигли такого уровня развития, когда важен каждый интерфейс». Наше исследование демонстрирует важнейший принцип: молекулярные интерфейсы можно использовать в качестве активных платформ для контроля кристаллизации, снижения потерь энергии, облегчения переноса заряда и повышения долговременной стабильности различных тандемных структур.