Разработчики солнечных батарей знают, что их творения должны выдерживать широкий диапазон температур и всевозможных погодных условий, которые могут повлиять на их эффективность и срок службы.
Доцент кафедры химии и биохимии Университета штата Флорида Леа Ниенхаус и бывший постдокторант из бывшего Советского Союза Сара Вигхолд помогают понять фундаментальные процессы в материале, известном как перовскиты, работа, которая может привести к более эффективным солнечным элементам, которые также выполняют лучшая работа по сопротивлению деградации. Они обнаружили, что небольшие изменения в химическом составе материалов, а также в величине электрического поля, которому они подвергаются, могут сильно повлиять на общую стабильность материала.
Их последняя работа опубликована в паре исследований в Journal of Materials Chemistry C и Journal of Applied Physics.
Их исследования сосредоточены на улучшении потенциала перовскитов, материала с кристаллической структурой на основе положительно заряженных ионов свинца, известных как катионы, и отрицательно заряженных анионов галогенидов. В кубической кристаллической структуре перовскита октаэдры, образованные ионами свинца и галогенидов, окружены дополнительными положительно заряженными катионами.
Первые солнечные элементы на основе перовскита, которые были разработаны в 2006 году, имели эффективность преобразования солнечной энергии около 3 процентов, но элементы, разработанные в 2020 году, имеют эффективность преобразования энергии более 25 процентов. Это быстрое повышение эффективности делает их многообещающим материалом для дальнейших исследований, но у них есть недостатки с точки зрения коммерческой жизнеспособности, такие как тенденция к быстрой деградации.
"Как мы можем сделать перовскиты более стабильными в реальных условиях, в которых они будут использоваться?" - сказал Нинхаус. «Что вызывает деградацию? Вот что мы пытаемся понять. Перовскиты, которые не разлагаются быстро, могут быть ценным инструментом для получения большего количества энергии от солнечных батарей».
Перовскиты являются так называемым «мягким материалом», несмотря на ионные связи кристаллической решетки, составляющие их структуру. Галогениды или катионы в материале могут перемещаться через эту решетку, что может увеличить скорость их разложения, что приведет к отсутствию долговременной стабильности.
В статье Journal of Materials Chemistry C исследователи исследовали комбинированное влияние света и повышенной температуры на характеристики перовскитов со смешанными катионами и смешанными галогенидами.
Они обнаружили, что добавление небольшого количества элемента цезия в пленку перовскита увеличивает стабильность материала при воздействии света и повышенных температур. С другой стороны, добавление рубидия привело к ухудшению характеристик.
«Мы обнаружили, что в зависимости от выбора катиона в этих материалах можно наблюдать два пути деградации, которые мы затем соотнесли со снижением производительности», - сказал Вигхольд, ныне ассистент научного сотрудника в Центре исследований. Наноразмерные материалы и усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории. «Мы также показали, что добавление цезия увеличило стабильность пленки в наших условиях испытаний, что является очень многообещающим результатом».
Они также обнаружили, что снижение характеристик пленки для менее стабильных смесей перовскита коррелирует с образованием соединения бромид/йодид свинца и усилением электрон-фононного взаимодействия. Образование бромида/йодида свинца связано с механизмом нежелательной деградации, которого необходимо избегать для достижения долговременной стабильности и производительности этих перовскитных солнечных элементов.
В статье журнала прикладной физики они исследовали связь между напряжением и характеристиками перовскитовых материалов. Это показало, что движение ионов в материале изменяет основной электрический отклик, который будет критическим фактором в фотогальванических характеристиках.
«Перовскиты открывают большие возможности для будущего солнечных элементов, и очень интересно помочь продвинуть эту науку вперед», - сказал Ниенхаус.