Исследователи из МИЭМ НИУ ВШЭ вместе с китайскими коллегами разработали метод, значительно повышающий долговечность перовскитных солнечных элементов. Они решили ключевую проблему — утечку йода из материала, приводящую к разрушению батареи. Решением стало добавление в перовскит специальных молекул, которые прочно удерживают йод внутри кристалла. Благодаря этому элементы сохраняют более 92% мощности после тысячи часов работы при высокой температуре 85 °C. Работа опубликована в журнале Advanced Energy Materials.
Перовскиты — перспективные материалы для солнечной энергетики, обладающие высокой эффективностью преобразования света. Их потенциальное преимущество — более низкая стоимость производства по сравнению с традиционными кремниевыми панелями. Наиболее эффективны йодидные перовскиты, их КПД превышает 26%. Однако у них есть серьезный недостаток: под воздействием света и нагрева йод покидает кристаллическую решетку, что разрушает контакты и снижает производительность батареи.
Ранее для удержания йода пытались использовать молекулы, образующие с ним водородные связи. Но эти связи оказались слишком слабыми для длительной эксплуатации. Более прочными являются электростатические связи, но было неясно, как встроить необходимые молекулы в структуру перовскита, не нарушив ее. В новом исследовании ученым удалось это сделать. Сначала с помощью теоретических расчетов они определили, что лучше всего с задачей справятся молекулы четвертичного аммония. Для экспериментов был выбран тетрабутиламмоний-йодид (TBAI).
Его добавили в раствор для создания перовскитных пленок. Пленки с добавкой показали высокую стабильность при свете и нагреве, в то время как контрольные образцы быстро разрушались. Анализ подтвердил, что в улучшенных пленках почти полностью остановилась миграция йода и металлов между слоями.
На основе новой технологии собрали полноценные солнечные элементы. Добавка TBAI не только предотвратила деградацию, но и улучшила качество самого материала: структура стала более упорядоченной, а количество дефектов уменьшилось. Это позволило поднять КПД элемента с 24,14% до 26,23%. Важнее, что стабильность устройств резко возросла: после 1000 часов работы при 85 °C они сохранили 92,5% начальной эффективности. Контрольные образцы потеряли больше половины мощности менее чем за 300 часов.
Исследователи полагают, что разработанный метод электростатического удержания йода открывает путь к созданию коммерчески жизнеспособных и долговечных перовскитных солнечных батарей.
Ранее российские ученые создали самозаживляющиеся солнечные батареи для космоса.
