Направление ионов повышает жизнеспособность солнечных элементов следующего поколения

Исследователи обнаружили, что направление ионов по определенным путям в перовскитных материалах улучшает стабильность и рабочие характеристики перовскитных солнечных элементов. Открытие прокладывает путь к новому поколению более легких, гибких и эффективных технологий солнечных элементов, подходящих для практического использования.Перовскитные материалы, которые определяются своей кристаллической структурой, лучше поглощают свет, чем кремний. Это означает, что перовскитовые солнечные элементы могут быть тоньше и легче, чем кремниевые солнечные элементы, не жертвуя при этом способностью элемента преобразовывать свет в электричество.«Это открывает двери для множества новых технологий, таких как гибкие, легкие солнечные элементы или многослойные солнечные элементы (известные как тандемы), которые могут быть гораздо более эффективными, чем технология сбора солнечной энергии, используемая сегодня в так называемых солнечных фермах». — говорит Арам Амассиан, автор статьи. «Есть интерес к интеграции материалов перовскита в технологии кремниевых солнечных элементов, что повысит их эффективность с 25% до 40%, а также позволит использовать существующую инфраструктуру». Амассиан — профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.Однако работа с перовскитными материалами представляет собой проблему, поскольку невозможно обеспечить долгосрочную стабильность работы перовскитных солнечных элементов. Перовскиты являются ионными материалами, и когда к перовскиту прикладывается напряжение, оно заставляет ионы мигрировать через материал. Считается, что эти мигрирующие ионы способствуют химическим и структурным изменениям в материале, что в конечном итоге делает материалы неэффективными и нестабильными. Чтобы сделать солнечные элементы из перовскита практичными, исследователям необходимо найти способ решить эту проблему.«Мы не нашли способа предотвратить движение ионов через перовскитные материалы, но мы обнаружили, что можно направить эти ионы в безопасный канал, не нарушающий структурную целостность материала или его характеристики», — говорит Амассиан. «Это большой шаг вперед».Безопасный канал в этом случае называется границей зерен. Перовскитные материалы представляют собой мультикристаллические материалы. Это означает, что, когда вы «выращиваете» перовскит, материал формируется в виде ряда кристаллов или «зерен», которые находятся на одном уровне друг с другом. Эти зерна ответственны за поглощение света и создание зарядов, ответственных за электрический ток. Каждое из этих зерен имеет одинаковую кристаллическую структуру, но зерна могут быть ориентированы в несколько разных направлениях. Область соприкосновения зерен называется границей зерна.«Мы обнаружили, что зерна лучше защищены от повреждения, когда ионы движутся преимущественно вдоль границы зерна», — говорит первый автор и соавтор Масуд Гасеми, бывший научный сотрудник с докторской степенью в штате Северная Каролина, а ныне научный сотрудник с докторской степенью в Университете штата Северная Каролина.«В сочетании с тем, что уже известно о перовскитных материалах, становится ясно, что проблемы начинаются, когда границы зерен слабы, что облегчает проникновение ионов в сами зерна. Разработка более прочных границ зерен, которые защищают зерна, имеет важное значение для блокирования миграции ионов и других вредных частиц, таких как кислород, от проникновения в зерна, смягчая проблемные химические и структурные изменения в материале».«Это важное открытие, потому что существуют проверенные методы, которые мы можем использовать для разработки перовскитовых материалов и границ их зерен. Теперь мы можем использовать эти подходы для защиты зерен», — говорит Амассиан. «В этой статье мы демонстрируем, как эти методы укрепляют границы зерен. Короче говоря, теперь мы знаем, что нужно сделать, чтобы сделать перовскиты гораздо более стабильными».Эта работа может также помочь в разработке более эффективных технологий хранения энергии.«Эта работа способствует нашему фундаментальному пониманию того, как ионы движутся через любой кристаллический материал, который может нести заряд, а не только галоидные перовскиты», — говорит Амассиан. «Мы рады поговорить с коллегами, работающими над накоплением энергии, о том, как это может помочь в разработке более быстрых ионных проводников».Статья «Многомасштабная структура ионной диффузии проливает свет на взаимосвязь диффузия-стабильность-гистерезис в металлогалогенидных перовскитах» опубликована в журнале Nature Materials.