Исследователи повышают стабильность перовскитных элементов с помощью процесса удаления лития

Исследователи из KIER разработали каталитический процесс на основе оксида никеля, который удаляет ионы лития из дырочно-транспортного слоя перовскитных солнечных элементов для повышения их стабильности. Эффективность элементов составила 25,24 %, и они сохранили более 90 % своей первоначальной производительности после 500 часов непрерывной работы.

Солнечный элемент, изготовленный исследователями из Корейского института энергетических исследований

Ученые из Корейского института энергетических исследований (KIER) разработали каталитический процесс, который может продлить срок службы перовскитных солнечных элементов, сохранив при этом высокую эффективность преобразования энергии.

Исследователи объяснили, что дырочно-транспортный слой (ДТС) в перовскитных солнечных элементах обычно модифицируют солями лития и добавками, которые улучшают их растворимость, повышают электропроводность и облегчают перенос заряда. Однако летучесть этих добавок существенно снижает стабильность работы устройства в долгосрочной перспективе.

В реальных условиях эксплуатации, особенно при высоких температурах и влажности, эти соединения могут испаряться или мигрировать из ДТС, нарушая границы раздела между соседними слоями. Образующиеся пустоты и структурные дефекты могут ускорить деградацию устройства и сократить срок службы перовскитных солнечных батарей.

«Кроме того, при повышенных температурах и высокой влажности ионы лития, высвобождающиеся из солей лития, бесконтрольно проникают внутрь солнечных батарей, что еще больше сокращает срок их службы, — пояснили исследователи. — Однако альтернативные стратегии, позволяющие добиться такого же повышения эффективности за счет отказа от использования солей лития и добавок или их замены другими веществами, пока не предложены».

Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали процесс с использованием катализатора, при котором соли лития временно используются для запуска необходимых химических реакций, после чего ионы лития и катализатор удаляются из раствора с помощью фильтрации.

«Ключ к разработанной технологии — использование оксида никеля (NiOx) в качестве катализатора. При добавлении в раствор для дырочно-транспортного слоя порошок оксида никеля вступает в сильное взаимодействие с ионами лития, притягивая их, — рассказали ученые. — Этот механизм эффективно отделяет ионы лития от солей лития и прикрепляет их к поверхности оксида никеля без использования добавок, что является серьезной проблемой в традиционных процессах».

Исследователи протестировали процесс на солнечных элементах, изготовленных на подложке из легированного фтором оксида олова (FTO), электронно-транспортном слое (ETL) из оксида олова (sno₂), поглотителе из перовскита на основе формамидиния, йодида свинца (fapbi₃), спиро-ометаде HTL и золотом электроде (Au).

Устройство-чемпион показало эффективность преобразования энергии 25,24 %, напряжение холостого хода 1,175 В, плотность тока короткого замыкания 25,83 мА/см² и коэффициент заполнения 83,21 %. При освещении одним солнцем оно также обеспечило стабильную выходную мощность 25,1 %.

После 500 часов непрерывной работы ячейки сохранили более 90 % своей первоначальной эффективности, а после ускоренного испытания при повышенной влажности и температуре 85 °C и относительной влажности 85 % — 95 %, что свидетельствует об улучшении стабильности работы.

По словам ученых, этот процесс позволяет окислять материал для переноса дырок спиро-OMeTAD менее чем за пять секунд без использования традиционной добавки 4-трет-бутилпиридина (tBP). NiOₓ также способствует растворению бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI), улавливая ионы лития, которые впоследствии удаляются вместе с частицами NiOₓ с помощью фильтрации. Этот процесс повысил электропроводность HTL в 2,5 раза и позволил получить более однородные пленки с улучшенным извлечением заряда.

Новый подход был представлен в исследовании «Стратегия улавливания и извлечения Li+ с помощью редокс-активного катализатора NiOx для tSpiro-OMeTAD без побочных продуктов обеспечивает исключительную устойчивость к влаге и высоким температурам в перовскитных солнечных элементах», опубликованном в журнале Advanced Science.

«Это исследование выходит за рамки общепринятых идей и стратегий в области производства перовскитных солнечных элементов, предлагая новый каталитический и фильтрационный процесс, в котором катализатор используется только для запуска необходимых химических реакций, а затем удаляется вместе с целевым материалом с помощью фильтрации, — говорит Се Джин Ан, главный научный сотрудник Корейского института передовых технологий и руководитель проекта. — Эта технология станет важной вехой в решении проблем, связанных со сроком службы перовскитных тандемных солнечных элементов, и проложит путь к их коммерциализации».

В ходе аналогичного исследования другая команда KIER недавно добилась рекордной эффективности преобразования энергии в 26,7% для тандемного солнечного элемента, состоящего из верхнего элемента на основе перовскита и нижнего элемента на основе селенида меди, индия и галлия (CIGS). По словам исследователей, результат был подтвержден Институтом солнечных энергетических систем им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Германии и включен в Таблицу эффективности лучших исследовательских элементов, которую ведет Национальная лаборатория Скалистых гор Министерства энергетики США.

Challenger A12-120 https://invertory.ru/product/akkumuljator-challenger-a12-120/