Досягнуто прогресу в технології галоїдних сонячних батарей

В останні роки новий тип сонячної технології здається багатообіцяльним. Галогенідні перовськіти сонячні батареї є одночасно високопродуктивними та недорогими для виробництва електроенергії – двох необхідних інгредієнтів будь-якої успішної сонячної технології майбутнього. Але нові матеріали сонячних елементів також повинні відповідати стабільності кремнієвим сонячним елементам, які можуть похвалитися понад 25 роками надійності. 

У нещодавно опублікованому дослідженні команда під керівництвом Хуана-Пабло Корреа-Бена, доцента Школи матеріалознавства та інженерії Технічного університету Джорджії, показує, що галоїдні перовскітні сонячні елементи менш стабільні, ніж вважалося раніше. Їхня робота розкриває термічну нестабільність, яка відбувається в межах міжшарових шарів осередків, але також пропонує шлях до надійності та ефективності галоїдної перовскітної сонячної технології. Їхнє дослідження, опубліковане як обкладинка для журналу Advanced Materials у грудні 2022 року, має безпосередні наслідки як для науковців, так і для професіоналів галузі, які працюють з перовськітами у фотоелектричних установках, галузі, пов’язаній з електричними струмами, що генеруються сонячним світлом.

Свинцево-галогенні перовскітні сонячні елементи обіцяють чудове перетворення сонячного світла в електричну енергію. Наразі найпоширенішою стратегією досягнення високої ефективності перетворення цих клітин є обробка їхніх поверхонь великими позитивно зарядженими іонами, відомими як катіони.

Ці катіони занадто великі, щоб поміститися в решітку атомного масштабу перовскіту, і, потрапляючи на кристал перовскіту, змінюють структуру матеріалу на межі розділу, де вони осідають. Утворювані атомно-масштабні дефекти обмежують ефективність відведення струму від сонячної батареї. Незважаючи на усвідомлення цих структурних змін, дослідження щодо того, чи є катіони стабільними після осадження, обмежені, залишаючи прогалину в розумінні процесу, який може вплинути на довгострокову життєздатність галоїдних перовскітних сонячних елементів. 

«Наше занепокоєння полягало в тому, що протягом тривалих періодів роботи сонячних елементів реконструкція інтерфейсів триватиме», — сказав Корреа-Баена. «Отже, ми намагалися зрозуміти та продемонструвати, як цей процес відбувається з часом».

Для проведення експерименту команда створила зразок сонячного пристрою, використовуючи типові перовскітові плівки. Пристрій містить вісім незалежних сонячних батарей, що дозволяє дослідникам експериментувати та генерувати дані на основі продуктивності кожної клітини. Вони досліджували, як будуть працювати клітини як з обробкою поверхні катіонами, так і без неї, а також вивчали катіонно-модифіковані інтерфейси кожної клітини до та після тривалого термічного стресу, використовуючи методи рентгенівської характеристики на основі синхротронів.

Спочатку дослідники піддали попередньо оброблені зразки дії 100 градусів за Цельсієм протягом 40 хвилин, а потім виміряли зміни їх хімічного складу за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії. Вони також використали інший тип рентгенівської технології, щоб точно дослідити тип кристалічних структур, які утворюються на поверхні плівки. Поєднуючи інформацію з двох інструментів, дослідники могли візуалізувати, як катіони дифундують у решітку та як змінюється структура інтерфейсу під впливом тепла. 

Далі, щоб зрозуміти, як спричинені катіонами структурні зміни впливають на продуктивність сонячних елементів, дослідники застосували кореляційну спектроскопію збудження у співпраці з Карлосом Сільва, професором фізики та хімії в Georgia Tech. Ця техніка піддає зразки сонячних елементів дії дуже швидких імпульсів світла та виявляє інтенсивність світла, випромінюваного плівкою після кожного імпульсу, щоб зрозуміти, як втрачається енергія світла. Вимірювання дозволяють дослідникам зрозуміти, які види поверхневих дефектів шкодять продуктивності.

Нарешті, команда співвіднесла зміни в структурі та оптоелектронних властивостях з відмінностями в ефективності сонячних елементів. Вони також вивчали зміни, спричинені високими температурами, у двох найбільш використовуваних катіонах і спостерігали відмінності в динаміці на їх межах розділу.