Российские ученые проанализировали сложные перовскиты галогенидов свинца и нашли способ улучшить их стабильность и эффективность преобразования солнечной энергии. Такие материалы найдут применение в солнечных батареях нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells и The Journal of Physical Chemistry Letters.

Галогеноперовскиты — это перспективные материалы для солнечной энергетики. Они состоят из органических и неорганических катионов и аниона галогена. Несмотря на свою высокую эффективность в преобразовании солнечного света в электроэнергию, большая часть таких материалов нестабильна и теряет свои свойства при облучении.

Чтобы решить эту проблему, поддержанные грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда авторы новой работы добавили к перовскиту CH₃NH₃PbI₃ поливинилкарбазол.

В результате авторы смогли создать из полученного модифицированного материала ячейку с эффективностью преобразования солнечного света в 18,7 %. Срок ее службы при этом оказался на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.

«Мы не останавливаемся на достигнутом. Например, мы заметили, что наилучшее сочетание эффективности и термостабильности дают смеси брома и йода в различных сочетаниях. Еще одна задача — либо совсем исключить использование в наших материалах токсичного свинца, либо снизить его присутствие до приемлемого уровня. Конечная цель — создание высокопродуктивных, простых и недорогих в изготовлении, долговечных солнечных батарей, энергия которых будет в разы и десятки раз дешевле, чем полученная с помощью кремниевых батарей», — объясняет один из авторов работы, доцент кафедры электрофизики УрФУ Иван Жидков.

В качестве первого катиона перовскитных структур исследователи использовали органическое соединение — метиламмоний, формамидиний, а также цезий. В роли второго катиона выступил свинец. Их соединяли с анионами различных галогенов.

Анализируя свойства материалов, химики пытались выяснить, какие процессы происходят при нагреве этих соединений и их термической деградации, чтобы в дальнейшем избежать нежелательных последствий, в том числе образования вредных продуктов распада. Также исследователи стремились увеличить стабильность солнечных ячеек.

«Чтобы определить термическую стабильность разных галогенидов свинца, мы нагревали их до температур, рабочих для ячеек солнечных батарей — 90 ℃, и наблюдали, на какие компоненты разлагались галогениды в условиях теплового напряжения. Выяснилось, что наименее стабильны, наиболее легко разлагаемы на летучие компоненты галогениды метиламмония. Неорганические материалы с использованием цезия, напротив, обладают исключительной композиционной стабильностью, так как в их составе присутствуют нелетучие соединения цезия с бромом и йодом и отсутствуют хорошо разлагающиеся органические катионы», — рассказывает Жидков.

Созданные учеными ячейки можно использовать не только на Земле, но и в космосе за счет их высокой радиационной стабильности. Но чтобы сделать это, придется существенно повысить термостабильность материалов. Это особенно важно в условиях вакуума, где тепло от устройств не отводится.