Ионные жидкости замедляют деградацию перовскита: солнечные элементы сохраняют 90% производительности при 90°C
Первый автор статьи, доктор Вэньчжань Сюй, держит бутылку волшебной ионной жидкости.
Солнечные элементы — устройства, способные генерировать электроэнергию из солнечного света, — уже способствуют сокращению выбросов ископаемого топлива во многих странах мира. В последние годы инженеры-энергетики оценивают потенциал материалов, отличных от кремния, для разработки эффективных, долговечных и более доступных солнечных элементов.
К этим материалам относятся перовскиты, особенно галогенидные перовскиты. Это материалы с характерной кристаллической структурой (ABX₃), содержащие галогениды — химические соединения, состоящие из галогенного элемента, связанного с металлом или положительно заряженным ионом.
Галогенидные перовскиты известны тем, что эффективно поглощают свет и переносят носители заряда, поэтому обычно они создают фотоэлектрические эффекты с высокой эффективностью преобразования энергии (PCE). Тем не менее, большинство солнечных элементов на основе галогенидных перовскитов значительно менее стабильны, чем обычные кремниевые, что приводит к быстрому ухудшению их эффективности со временем.
Исследователи из Университета Пердью, Университета Эмори и других институтов ввели новую стратегию повышения операционной стабильности солнечных элементов на основе галогенидных перовскитов.
Их предложенный подход, изложенный в статье, опубликованной в Nature Energy, предполагает усиление солнечных элементов новыми ионными жидкостями — солями, которые являются жидкими при низких температурах и сильно взаимодействуют с некоторыми материалами.
«Наша группа специализируется на органическом синтезе, выращивании кристаллов гибридных перовскитов и инженерии устройств», — рассказал Летиан Доу, старший автор статьи, Tech Xplore.
«Наш отраслевой спонсор обратился к нам с просьбой синтезировать новые добавки для повышения долгосрочной стабильности устройств. Мы искали литературу и вдохновились более ранней работой с ионной жидкостью в качестве добавок. Мы заметили, что исследователи, проводившие это исследование, использовали лишь некоторые простые коммерчески доступные ионные жидкости без тщательной инженерии молекулярных структур.»
Улучшенные солнечные батареи команды тестировали при освещении 90°C и менее 1-солнечной яркости.
Вдохновлённые предыдущими исследованиями в этой области, Доу и его коллеги взялись за разработку различных новых молекул, которые сильно взаимодействуют с перовскитами, уменьшая мелкие дефекты (то есть дефекты) и замедляя их разрушение со временем. Примечательно, что ионные жидкости, разработанные ими, оказались более эффективными, чем те, что применялись в предыдущих исследованиях, в стабилизации перовскитных солнечных элементов.
Новые ионные жидкости, которые улучшают солнечные элементы
Галогенидные перовскитные солнечные батареи обычно состоят из трёх слоёв. К ним относятся два так называемых интерфейсных слоя и активный перовскитный слой, зажатый между ними.
«Очень важно минимизировать дефекты в слое перовскита, а также на двух интерфейсах (верх и снизу слоя перовскита)», — объяснил Доу. «Несмотря на масштабные усилия по улучшению верхнего интерфейса путём нанесения дополнительного поверхностного пассивного слоя, было предпринято мало усилий по массовому пассивации дефектов и нижней (захороненной) границе.»
Самая перспективная ионная жидкость, разработанная исследователями, получила название MEM-MIM-CI, сильно связывается с положительно заряженными свинцовыми ионами в перовскитах, а также заполняет вакансии галогенидов (то есть участки, где отсутствуют ионы галогенидов). Доу и его коллеги добавили эту жидкость в перовскитный материал, затем использовали её для создания солнечной батареи и оценили её устойчивость.
Влияние IL на интерфейс зарытого перовскита.
«Эти новые ионные жидкости, при добавлении в перовскитный прекурсор, вводят промежуточную фазу в процессе кристаллизации», — сказал Доу.
«Эта промежуточная фаза замедляет кристаллизацию и способствует росту крупного перовскита размером с зерна с меньшим числом дефектов. Кроме того, мы обнаружили, что новая ионная жидкость преимущественно накапливается на нижней границе, подавляя образование дефектов.»
Команда оценила работу солнечной батареи на основе их улучшенного перовскитного материала в очень суровых условиях. Изначально её тестировали при температурах 65–80°C и при интенсивном освещении (1-солнечное облучение, что соответствует полному солнечному свету).
«Позже наш спонсор установил более высокую планку и хотел посмотреть, как устройство деградирует при ещё более суровых условиях — не менее 90°C при освещении», — сказал доктор Вэньчжань Сюй, первый автор статьи.
«Поэтому мы также реализовали эти более суровые условия и продемонстрировали, что наши устройства сохраняют 90% своей начальной производительности более 1500 часов при непрерывном освещении в 1 градусе солнца и температуре 90°C при открытой цепи — это более сурово, чем обычное условие других исследователей.»
К развертыванию перовскитных солнечных элементов
Первоначальные результаты, собранные Доу, Сюй и их коллегами, подчёркивают потенциал тщательно разработанных ионных жидкостей для повышения стабильности солнечных элементов на основе галогенидных перовскитов. В будущем они могут вдохновить другие исследовательские группы создавать аналогичные ионные жидкости и добавлять их в материалы перовскит-предшественников.
«Материалы, которые мы использовали, очень легко синтезировать и масштабироваться», — сказал Доу. «Эта стратегия может быть расширена на промышленное производство устройств PSC с большой площадью, поскольку используемые ионные жидкости также совместимы с масштабируемыми методами осаждения на основе растворов, такими как покрытие лезвий.
«Кроме того, мы обнаружили, что ионные жидкости могут повышать эффективность и стабильность широкополосных зон и безсвинцовых перовскитовых систем, демонстрируя универсальность этой стратегии для применения тандемных солнечных элементов.»
Доу и его коллеги сейчас планируют дополнительные исследования, направленные на повышение стабильности фотоэлектрических систем на основе перовскитов. Например, сейчас они пытаются разработать ещё более эффективные молекулы, которые могли бы дополнительно повысить долговечность солнечных элементов в реальных условиях.
«Мы также стремимся получить более глубокое понимание фундаментальных механизмов, управляющих взаимодействием ионной жидкости и перовскита, используя современные методы спектроскопии и визуализации», — добавил Доу.
«Мы приветствуем сотрудничество с другими отраслевыми партнёрами (патент, связанный с этой технологией, доступен для лицензирования). Мы надеемся, что эта инновация способствует коммерциализации и широкому внедрению стабильных PSC.»
