Перовскиты на основе свинца - очень перспективные материалы для производства солнечных батарей. Они эффективно превращают свет в электричество, но имеют и существенные недостатки: самые эффективные материалы не очень стабильны, а свинец является токсичным элементом. Ученые Гронингенского университета изучают альтернативы перовскитам на основе свинца. Два фактора, которые существенно влияют на эффективность этих солнечных элементов, - это способность образовывать тонкие пленки и структура материалов в солнечных элементах. Поэтому очень важно исследовать на месте, как образуются бессвинцовые кристаллы перовскита и как кристаллическая структура влияет на функционирование солнечных элементов. Результаты исследования были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials 31 марта.
Фотоэлектрические элементы на основе гибридных перовскитов были впервые представлены в 2009 году и быстро стали почти такими же эффективными, как стандартные кремниевые солнечные элементы. Эти материалы имеют очень характерную кристаллическую структуру, известную как структура перовскита. В идеализированной кубической элементарной ячейке анионы образуют октаэдр вокруг центрального катиона, а углы куба заняты другими, более крупными катионами. Для создания разных перовскитов можно использовать разные ионы.
Спиннинг
Наилучшие результаты в солнечных элементах были получены с использованием перовскитов со свинцом в качестве центрального катиона. Поскольку этот металл токсичен, были разработаны альтернативы на основе олова, например, йодид олова формамидиния (FASnI3). Это перспективный материал; однако ему не хватает стабильности некоторых материалов на основе свинца. Были предприняты попытки смешать кристаллы 3D FASnI3 со слоистыми материалами, содержащими органический катион фенилэтиламмоний (ФЭА). «Моя коллега, профессор Мария Лои, и ее исследовательская группа показали, что добавление небольшого количества этого ПЭА дает более стабильный и эффективный материал», - говорит доцент Джузеппе Портале. «Однако добавление большого количества снижает фотогальваническую эффективность».
Именно здесь на помощь приходит Портейл. Перовскиты долгое время изучались профессором фотофизики и оптоэлектроники Марией Лой, а Портейл разработал метод дифракции рентгеновских лучей, который позволяет ему изучать быстрое формирование тонких пленок в в режиме реального времени во время центрифугирования из раствора. В лабораторных масштабах пленки перовскита обычно изготавливаются методом центрифугирования - процесса, при котором раствор прекурсора наносится на быстро вращающуюся подложку. Кристаллы растут по мере испарения растворителя. На линии BM26B-DUBBLE в Европейском центре синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле, Франция, Portale исследовал, что происходит во время образования оловянно-перовскитной пленки.
Интерфейс
«Наша первоначальная идея, основанная на исследованиях ex situ, заключалась в том, что ориентированные кристаллы растут от поверхности подложки вверх, - объясняет Портейл. Однако результаты in situ показали обратное: кристаллы начинают расти на границе воздух/раствор. В своих экспериментах он использовал 3D ФАСНI3 с добавлением различных количеств 2D PEASnI4 В чистом 3D перовските начали формироваться кристаллы на поверхности, но и в объеме раствора. Однако добавление небольшого количества 2D-материала подавляло объемную кристаллизацию, и кристаллы росли только от поверхности раздела.
' Молекулы ФЭА играют активную роль в исходном растворе перовскитов, стабилизируя рост ориентированных трехмерных кристаллов за счет координации на краях кристалла. Более того, молекулы ПЭА предотвращают зародышеобразование в объемной фазе, поэтому рост кристаллов происходит только на границе раздела воздух/растворитель», - объясняет Портейл. Полученные пленки состоят из выровненных 3D-подобных кристаллов перовскита и минимального количества 2D-подобного перовскита, расположенного в нижней части пленки. Добавление низких концентраций 2D-материала дает стабильный и эффективный фотогальванический материал, в то время как эффективность резко падает при высоких концентрациях этого 2D-материала.
Изолятор
Эксперименты Portale и Loi могут объяснить это наблюдение: «2D-подобный перовскит расположен на границе раздела подложка/пленка. Увеличение содержания 2D-материала выше определенного количества приводит к образованию протяженного 2D-подобного органического слоя, который действует как изолятор, что отрицательно сказывается на эффективности устройства». Вывод исследования состоит в том, что образование этого изолирующего слоя необходимо предотвратить для получения высокоэффективного и стабильного перовскита на основе олова.«Следующий шаг - понять это, например, играя с растворителями, температурой или специфическими взаимодействиями перовскита и подложки, которые могут нарушить формирование этого толстого изолирующего слоя».