Наш поиск технологии устойчивого производства энергии привел исследователей к изучению различных материалов и их комбинаций во многих типах устройств. Один из таких синтетических материалов называется «перовскит», он недорогой и простой в производстве, и его можно использовать в солнечных батареях. Солнечные элементы на основе перовскита привлекли большое внимание, потому что их эффективность преобразования энергии (то есть эффективность преобразования солнечного света в электричество) значительно улучшилась в последние годы. Однако реализовать их для крупномасштабного производства энергии оказалось сложно из-за нескольких проблем.
Одна из проблем, с которой сталкиваются перовскитные солнечные элементы, - это воспроизводимость результатов. Это означает, что трудно стабильно создавать слои кристаллов перовскита, свободные от дефектов и отверстий, а это означает, что всегда вероятны отклонения от проектных значений, которые снижают их эффективность. С другой стороны, исследователи обнаружили, что эффективность этих клеток можно повысить, комбинируя перовскит с углеродными нанотрубками (УНТ). Механизм, с помощью которого УНТ и перовскит связываются вместе, и то, как это влияет на характеристики перовскитных солнечных элементов из УНТ, подробно не изучался. В частности, способность чистых УНТ связываться с перовскитом не очень хороша, и это может поставить под угрозу структурные и проводящие свойства на границе раздела обоих материалов.
Поэтому группа из Tokyo Tech под руководством профессора Кейко Ваки провела серию экспериментов с перовскитными солнечными элементами в сочетании с различными типами УНТ, пытаясь улучшить их производительность и стабильность, а также понять лежащие в их основе механизмы. Они использовали не только чистые УНТ, но и УНТ, которые несли в своей структуре «кислородсодержащие функциональные группы», которые, как известно, усиливают взаимодействие между УНТ и перовскитом, что приводит к улучшению интерфейса и увеличению кристаллизации перовскита.
Это исследование состояло из нескольких экспериментов, которые дали представление о многих аспектах взаимодействия УНТ-перовскита. Во-первых, они продемонстрировали превосходные электрические характеристики ячеек с функционализированными УНТ по сравнению с ячейками с чистыми УНТ и нашли доказательства, подтверждающие, что при использовании функционализированных УНТ возникают более крупные кристаллы и меньше поверхностных дефектов. Затем команда сделала вывод, что перовскит в клетках подвергнется процессу перекристаллизации, если хранить его в темноте, и что присутствие функциональных групп в УНТ окажет значительное влияние на этот процесс. Это было подтверждено хранением клеток более двух месяцев и последующим измерением их электрических характеристик (рис.1). «Мы обнаружили способность перовскита к саморекристаллизации при комнатной температуре, морфология которого значительно улучшилась после длительного хранения. Однако наиболее интересным результатом была способность функционализированных УНТ использовать природу саморекристаллизации для образования более прочного соединение между перовскитом и УНТ посредством реконструкции», - объясняет профессор Ваки. В частности, функционализированные УНТ значительно улучшили контакт между двумя материалами, а функциональные группы служили защитой от воздействия влаги на перовскит, позволяя саморекристаллизации и реконструкции интерфейса происходить без заметной деградации. Исследовательская группа также обнаружила, что процесс рекристаллизации можно значительно ускорить, постоянно подвергая солнечные элементы частым измерениям, но это в конечном итоге повлияло на их стабильность и привело к их деградации..
Такие углубленные исследования перовскитных солнечных элементов и способов их улучшения очень ценны, потому что они приближают нас к новым источникам чистой энергии.«Мы надеемся, что это исследование внесет вклад в производство перовскитов с более высокой стабильностью и воспроизводимостью», - заключает профессор Ваки. Эти открытия послужат еще одной ступенькой к тому, чтобы мы могли рассматривать солнечные батареи на основе перовскита как ключевую технологию для сохранения нашей планеты.