Исследователи показали, что дефекты молекулярной структуры перовскитов - материала, который может произвести революцию в производстве солнечных батарей - можно «исцелить», подвергая его воздействию света и достаточной влажности.
Международная группа исследователей продемонстрировала в 2016 году, что дефекты в кристаллической структуре перовскитов можно лечить, подвергая их воздействию света, но эффект был временным.
Теперь расширенная команда из Кембриджа, Массачусетского технологического института, Оксфорда, Бата и Делфта показала, что эти дефекты можно навсегда устранить, что может еще больше ускорить разработку дешевых, высокоэффективных солнечных элементов на основе перовскита, которые соперничают по эффективности с кремнием. Их результаты представлены в первом выпуске журнала Joule, издаваемого Cell Press.
Большинство солнечных элементов на современном рынке основаны на кремнии, но, поскольку их производство дорого и энергоемко, исследователи ищут альтернативные материалы для солнечных элементов и других фотогальванических элементов. Перовскиты, возможно, являются наиболее многообещающими из этих альтернатив: они дешевы и просты в производстве, и всего за несколько коротких лет разработки перовскиты стали почти такими же эффективными, как кремний, в преобразовании солнечного света в электричество.
Несмотря на потенциал перовскитов, некоторые ограничения препятствуют их эффективности и согласованности. Крошечные дефекты в кристаллической структуре перовскитов, называемые ловушками, могут заставлять электроны «застревать» до того, как их энергия может быть использована. Чем легче электронам двигаться в материале солнечного элемента, тем эффективнее этот материал будет преобразовывать фотоны, частицы света, в электричество.
«В перовскитных солнечных элементах и светодиодах вы, как правило, теряете большую часть эффективности из-за дефектов», - сказал доктор Сэм Стрэнкс, который руководил исследованием, когда он был научным сотрудником Марии Кюри в Массачусетском технологическом институте и Кембридже. «Мы хотим знать происхождение дефектов, чтобы мы могли устранить их и сделать перовскиты более эффективными».
В статье 2016 года Странкс и его коллеги обнаружили, что, когда перовскиты подвергались воздействию освещения, ионы йода - атомы, лишенные электрона, так что они несут электрический заряд - мигрировали из освещенной области, и в процессе вместе с ними смела большинство дефектов в этой области. Однако эти эффекты, хотя и были многообещающими, были временными, потому что ионы мигрировали обратно в те же положения, когда свет выключался..
В новом исследовании команда изготовила устройство на основе перовскита, напечатанное с использованием технологий, совместимых с масштабируемыми процессами рулонной печати, но до того, как устройство было завершено, они подвергли его воздействию света, кислорода и влажности. Перовскиты часто начинают разлагаться при воздействии влаги, но команда обнаружила, что при уровне влажности от 40 до 50 процентов и ограничении экспозиции 30 минутами деградации не происходит. После того, как экспозиция была завершена, были нанесены оставшиеся слои, чтобы закончить устройство.
При воздействии света электроны связывались с кислородом, образуя супероксид, который мог очень эффективно связываться с электронными ловушками и препятствовать тому, чтобы эти ловушки препятствовали электронам. В сопутствующем присутствии воды поверхность перовскита также превращается в защитную оболочку. Покрытие оболочки удаляет ловушки с поверхностей, но также удерживает супероксид, а это означает, что улучшения производительности перовскитов теперь долговечны.
«Это нелогично, но применение влаги и света делает солнечные элементы из перовскита более люминесцентными, а это свойство чрезвычайно важно, если вам нужны эффективные солнечные элементы», - сказал Стрэнкс, который сейчас работает в Кембриджской Кавендишской лаборатории.«Мы наблюдали увеличение эффективности люминесценции с одного процента до 89 процентов, и мы думаем, что сможем довести ее до 100 процентов, что означает, что у нас не будет потери напряжения, но предстоит еще много работы.."
Исследование финансировалось Европейским союзом, Национальным научным фондом и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам.