Российские ученые повысили эффективность перовскитных солнечных элементов с помощью «зеленых» полимерных добавок
Сотрудники Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля Российской академии наук (ИБХФ РАН) и Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук (ФИЦ ХФ РАН) разработали метод пассивации (уменьшения количества дефектов) перовскитных солнечных элементов с использованием безвредных полимеров на основе полисукцинимида.
Перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) — одно из важнейших направлений современной фотовольтаики. Солнечные батареи на основе гибридных перовскитов в будущем могут составить конкуренцию кремниевым солнечным панелям за счет более простых и дешевых методов изготовления при сравнимых значениях КПД. К сожалению, использование перовскитных солнечных батарей ограничено их низкой устойчивостью к условиям окружающей среды (влага, кислород), и по этой причине первостепенной задачей, стоящей перед учеными, является улучшение их стабильности.
Пленки гибридных перовскитов неизбежно содержат дефекты в объеме или на границах зерен, что пагубно влияет на эффективность и стабильность всего солнечного элемента. Дефекты действуют и как центры деградации, и как центры рекомбинации, то есть снижают количество свободных зарядов и, как следствие, величину тока в ПСЭ.
На сегодняшний день одним из перспективных методов модификации перовскитных материалов является введение полимерных добавок в объем перовскитного слоя. Ранее для этой цели ученые использовали в основном синтетические полимеры, но высокие концентрации этих добавок могут привести к образованию нежелательных полимерных фаз внутри слоя перовскита или затруднить перенос зарядов из-за изолирующей природы полимера. Поэтому очень важно изучить возможность использования дешевых «зеленых» полимеров, которые могли бы улучшить как фотоэлектрические характеристики, так и стабильность ПСЭ.
В данном исследовании в качестве полимерной добавки авторы использовали полисукцинимид и его производное — полиаспарагиновую кислоту. Эти недорогие вещества относятся к «зеленым», то есть нетоксичным и безопасным для окружающей среды полимерам.
«В этой работе мы впервые использовали полностью «зеленую» полимерную добавку на основе полисукцинимида как перспективную замену синтетическим полимерам для модификации перовскитных солнечных элементов. Высокий молекулярный дипольный момент сукцинимида и наличие карбонильных групп способствовал молекулярным взаимодействиям молекул полимера с катионами CH3NH3+ и анионами иодоплюмбата. Ключевым фактором наблюдаемого повышения эффективности модифицированных полисукцинимидом перовскитных солнечных элементов стало подавление рекомбинационных потерь и увеличение времени жизни носителей заряда за счет эффективной пассивации поверхностных дефектов», — рассказал один из авторов работы, сотрудник ИБХФ РАН, кандидат химических наук Сергей Козлов.
В ходе исследования ученые установили, что модификация перовскитных пленок выбранными «зелеными» полимерами приводит к улучшению морфологических и оптоэлектронных характеристик гибридных перовскитов за счет увеличения размеров перовскитных зерен и снижения плотности дефектов. В результате, эффективность ПСЭ увеличивается и достигает значений более 20% в стандартных условиях. Модифицированные «зелеными» полимерами лабораторные образцы ПСЭ демонстрируют повышенную стабильность при работе на открытом воздухе, сохраняя до 80% от своей начальной эффективности в течение более чем 40 дней, тогда как без добавок за это время они сохранили не более 55 % от начальной эффективности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.