Шаблонный подход стабилизирует “идеальный” материал для альтернативных солнечных элементов

Исследователи из Кембриджского университета использовали органическую молекулу в качестве «шаблона», чтобы направлять пленки перовскита в желаемую фазу по мере их формирования. Их результаты опубликованы в журнале. Наука.

Исследователи разработали метод стабилизации многообещающего материала, известного как перовскит для дешевых солнечных элементов, без ущерба для его почти идеальных характеристик. Предоставлено: Кембриджский университет.

Перовскитовые материалы предлагают более дешевую альтернативу кремнию для производства оптоэлектронных устройств, таких как солнечные элементы и светодиоды.

Существует множество различных перовскитов, образованных в результате различных комбинаций элементов, но одним из наиболее многообещающих в последние годы является FAPbI на основе формамидиния (FA).₃ кристалл.

Соединение является термически стабильным, и присущая ему «запрещенная зона» – свойство, наиболее тесно связанное с выходной мощностью устройства, – не далеко от идеала для фотоэлектрических приложений.

По этим причинам разработка коммерчески доступных перовскитных солнечных элементов была в центре внимания. Однако соединение может существовать в двух немного разных фазах, одна из которых приводит к отличным фотоэлектрическим характеристикам, а другая – к очень низкому выходу энергии.

«Большая проблема с FAPbI.₃ «Фаза, которая вам нужна, стабильна только при температурах выше 150 градусов по Цельсию», – сказал соавтор Тиарнан Доэрти из Кэвендишской лаборатории Кембриджа. «При комнатной температуре он переходит в другую фазу, что очень плохо для фотоэлектрической энергии».

Недавние решения для поддержания материала в желаемой фазе при более низких температурах включают добавление в соединение различных положительных и отрицательных ионов.

«Это было успешным и привело к регистрации фотоэлектрических устройств, но все еще имеют место локальные потери электроэнергии», – сказал Доэрти. «В конце концов, в фильме есть регионы, которые находятся не в нужной фазе».

Мало что было известно о том, почему добавление этих ионов улучшило стабильность в целом, или даже о том, как выглядела полученная структура перовскита.

«Было общее мнение, что когда люди стабилизируют эти материалы, они образуют идеальную кубическую структуру», – сказал Доэрти. «Но мы показали, что, добавляя все эти другие вещи, они совсем не кубические, они очень слегка искажены. Есть очень тонкое структурное искажение, которое дает некоторую стабильность при комнатной температуре ».

Искажение настолько незначительно, что раньше оно не было обнаружено, пока Доэрти и его коллеги не использовали чувствительные методы структурных измерений, которые не получили широкого распространения на перовскитных материалах.

Команда использовала сканирующую дифракцию электронов, дифракцию нано-рентгеновских лучей и ядерный магнитный резонанс, чтобы впервые увидеть, как на самом деле выглядит эта стабильная фаза.

«Как только мы выяснили, что это было небольшое структурное искажение, обеспечивающее эту стабильность, мы стали искать способы добиться этого при подготовке пленки без добавления каких-либо других элементов в микс».

Соавтор Сатьяван Нагане использовал органическую молекулу, называемую этилендиаминтетрауксусной кислотой (ЭДТА), в качестве добавки к раствору предшественника перовскита, который действует как шаблонный агент, направляя перовскит в желаемую фазу по мере его образования. EDTA связывается с FAPbI₃ поверхность для создания структурного эффекта, но не встраивается в FAPbI₃ сама структура.

«С помощью этого метода мы можем достичь желаемой ширины запрещенной зоны, потому что мы не добавляем ничего лишнего в материал, это просто шаблон, который направляет формирование пленки с искаженной структурой, и получаемая пленка является чрезвычайно стабильной», – сказал Нагане.

«Таким образом, вы можете создать эту слегка искаженную структуру только в первозданном FAPbI.₃ “, – сказал соавтор Доминик Кубики из Кавендишской лаборатории, который сейчас базируется в Уорикском университете.

Исследователи надеются, что это фундаментальное исследование поможет улучшить стабильность и характеристики перовскита. Их собственная будущая работа будет включать интеграцию этого подхода в прототипы устройств, чтобы изучить, как этот метод может помочь им создать идеальные фотоэлектрические элементы на основе перовскита.

«Эти результаты меняют нашу стратегию оптимизации и правила производства этих материалов», – сказал старший автор доктор Сэм Стрэнкс из Кембриджского департамента химической инженерии и биотехнологии. «Даже небольшие карманы, которые не имеют незначительной деформации, приведут к снижению производительности, поэтому производственные линии должны будут иметь очень точный контроль того, как и где осаждаются различные компоненты и« искажающие »добавки. Это обеспечит равномерное малое искажение везде без исключения ».