Новая стратегия улучшения
инвертированных
солнечных элементов.
Что вы знаете о перовските? Названный в честь русского учёного графа Перовского, этот минерал стал прототипом для множества соединений, получивших его же имя. Они находят применение в высокотехнологичных областях: электронике, катализе и многих других. Но наибольшую популярность перовскиты приобрели благодаря своей роли в расцвете солнечной энергетики. Именно они, лёгкие и гибкие, похожие на бумагу, позволили нам преобразовать солнечный свет в электричество эффективнее традиционного кремния.
Однако, как это часто бывает с передовыми технологиями, у перовскитных солнечных элементов есть своя «ахиллесова пята». Обычно такие батареи довольно сложны в производстве и очень нестабильны. Их более перспективная «инвертированная» версия, где слои материала расположены в обратном порядке, долгое время страдала от микродефектов, которые учёные называют нерегулируемыми структурами. Они возникают на невидимой глазу границе, где перовскит встречается со слоем, отвечающим за транспорт электронных дырок — областей с недостатком электронов. Именно этот «интерфейс» — место контакта слоёв — и есть главная уязвимость системы.
Но недавно исследователи из Циндаоского института биоэнергетики и биотехнологических процессов (Китай) нашли элегантное решение этой сложной проблемы. Они разработали метод, который можно сравнить с выращиванием идеального газона. Если вы просто разбросаете семена по неподготовленной почве, трава взойдёт неравномерно, с проплешинами. Но если вы сначала «посеете» специальную подложку и создадите условия для прорастания, газон будет плотным и здоровым.
Именно это и сделали учёные. Свой метод они назвали предварительным засевом кристаллами-сольватами (CSV).
В основе технологии лежат крошечные нанокристаллы, созданные по специальной формуле. Представьте, что на поверхность будущей батареи (подложку) наносят не просто раствор, а уже готовые «зародыши» кристаллов — своего рода семена, упакованные в защитную капсулу из молекул растворителя. Во-первых, эти стержнеобразные нанокристаллы помогают равномерно «смочить» поверхность. Подложка для инвертированных элементов часто бывает гидрофобной (водоотталкивающей), как жирная сковорода. На такой поверхности раствор для выращивания перовскита собирается в капли. А новые «зародыши» CSV как раз и делают поверхность более дружелюбной, позволяя раствору растекаться идеально ровным слоем.
Во-вторых, и это самое главное, искусственные «семена» становятся центрами кристаллизации. То есть вместо хаотичного роста с дефектами, кристаллы попадают в такие условия развития, в которых неправильная структура становится невозможной. Плёнка растёт быстро и равномерно прямо от нижнего интерфейса.
Но и это ещё не все. Самый хитрый момент заключается в том, что внутри кристаллов-семян заперты молекулы растворителя (диметилсульфоксида, ДМСО). На следующем этапе производства плёнку подвергают процессу отжига. Так, в ходе нагрева молекулы растворителя высвобождаются не рывком, а постепенно, создавая прямо на нижней границе идеальную микросреду для «дозревания урожая» кристаллов. При этом мягкая атмосфера растворителя помогает кристаллам расти крупными и правильно ориентированными, буквально исключая какие-либо структурные дефекты.
Благодаря этой дважды эффективной стратегии удалось добиться того, что нижний слой перовскита стал плотным, без пустот и микротрещин. Однако посев кристаллов и контролируемый отжиг в парах растворителя не только значительно улучшил электронные свойства материала. Не менее значимо то, что технология обладает хорошей масштабируемостью. Одно дело — создать идеальную крошечную ячейку в лаборатории, и совсем другое — сделать работающую батарею большого размера.
Обычно увеличение площади резко снижает эффективность конечного материала, а в данном случае команде удалось создать мини-модуль площадью почти 50 квадратных сантиметров с рекордной эффективностью преобразования энергии — 23,15%. При этом потери эффективности по сравнению с маленькой ячейкой составили менее 3%, что на сегодня является блестящим результатом.
Такой способ не просто исправлять ошибки природы, а предотвращать их ещё на стадии конструирования кристалла, приближает эру недорогой, гибкой и мощной солнечной энергии. Возможно, уже в обозримом будущем она получит ещё большее распространение и сможет питать наши дома, гаджеты и, наверное, даже автомобили.
Однако перспективы технологии выходит далеко за рамки энергетики, поскольку разработка открывает новые горизонты не только для перовскитов. Концепция предварительного «засева» кристаллами-сольватами может стать универсальным инструментом. Изменяя состав «семян», можно создавать идеальные интерфейсы для самых разных материалов, в том числе — для полупроводниковых устройств.
АРМК, по материалам Китайской академии наук.