Китайські, японські та швейцарські матеріалознавці стабілізували катоди перовскитних сонячних елементів за допомогою подвійного покриття з графена. Зовнішній шар графена захищає сонячний елемент від кисню і води, а внутрішній запобігає іонній міграції. Отримані сонячні елементи пропрацювали 5000 годин, зберігши 95 відсотків початкової ефективності. Результати дослідження опубліковані в журналі
Стабілізація перовскитних сонячних елементів - завдання непросте. Навіть якщо вдалося зупинити деградацію самого перовскіта, проблеми можуть прийти з іншого боку, наприклад, з боку металевого катода. Два найпопулярніших катодних матеріали - срібло (Ag) і алюміній (Al) - вступають у реакцію з іонами іоду, що мігрують з активного шару. Золото (Au) вступає в реакцію з іодом повільніше, проте іони золота самі мігрують в активний шар, і витісняють свинець (Pb) з перовскитної решітки. До того ж використання золотих і срібних електродів підвищує вартість сонячного елемента, фактично забираючи у перовскітів їх головний козир - доступність.
Хорошою альтернативою можуть стати аноди з міді (Cu). Цей метал відносно стабільний по відношенню до перовскитів і продуктів їх розпаду. Однак, робота виходу електрона (4,65 електронвольт) недостатня, щоб використовувати мідь в якості катода для перовскитних сонячних елементів. В ефективності такі сонячні елементи помітно поступаються аналогам зі срібними та золотими катодами. До того ж мідь вступає в реакцію з водою і повітрям, утворюючи основний карбонат міді Cu2 (OH) 2CO3.
Великий крок вперед у розробці оптимального катода зробили японські, китайські та швейцарські матеріалознавці під керівництвом Лі Юань Хана (Liyuan Han) з Шанхайського університету транспорту. Вчені виготовили електрод з мідно-нікелевого сплаву і покрили його подвійним шаром графена - і зсередини, в місці контакту з перовскітом, і зовні. Зовнішній шар графена потрібен, щоб захистити сонячний елемент від кисню і води, а внутрішній - щоб уповільнити іонну міграцію. А добавки нікелю не тільки дозволяють збільшити роботу виходу електрона до потрібних значень, але і полегшують нанесення графенових шарів на мідь. Спочатку автори отримали сам мідно-нікелевий електрод за допомогою магнетронного розпилення з подальшим випалом при температурі 1000 градусів Цельсія у відновлювальній атмосфері. Метод енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії підтвердив, що нікель розподіляється рівномірно, а його вміст тримається в діапазоні 17-19 мольних відсотків.
Графенові шари нанесли методом хімічної облоги з газової фази. Як джерело вуглецю використовували метан. Вчені порівняли три різні швидкості нанесення, і в підсумку зупинилися на проміжній швидкості (10 мілілітрів на хвилину), оскільки вона давала найбільш однорідний монослой графена.
Робота виходу електрона для модифікованого катодного матеріалу (CNG, Cu/Ni/graphene) виявилася рівною 5,11 електронвольт - таке значення вже цілком підходить для екстракції «дірок» з активного шару перовскитного сонячного елемента. У результаті Хан і його колеги отримали перовскитні сонячні елементи з ефективністю 24,34 відсотка - лише трохи менше, ніж у контрольних зразків зі срібним катодом (24,65 відсотка).
Графенове покриття робить зовнішню поверхню електрода більш гідрофобною - крайовий кут змочування зростає з 75 до 102 градусів. Завдяки цьому вода не розтікається по поверхні електрода і не проникає всередину. Навіть, коли на CNG електрод наносили краплю води і залишали на 24 години (зазвичай з сонячними елементами цього не відбувається, вони захищені скляним інкапсулюючим шаром), перовскіт під ним все ще зберігав чорний колір. У контрольному зразку зі срібним електродом перовскіт повністю пожовтів - тобто перетворився на іодид свинцю PbI2.
Головна роль внутрішнього графенового шару - захист від іонної міграції. Щоб з'ясувати, наскільки ефективним вийшов цей захист, Хан і його колеги використовували елементний аналіз. Вони взяли сонячні елементи, що пропрацювали 1000 годин і досліджували їх елементний склад за допомогою методу мас-спектрометрії вторинних іонів. У пристроях з срібним катодом іони іона були виявлені у всіх шарах, тобто міграція іоду поширилася навіть на верхню частину катода. А ось CNG-катоди практично не містили іоду.
Сонячні елементи з захисними графеновими шарами зберігали 95 відсотків початкової ефективності після 5000 годин роботи. Стабільність в умовах підвищеної вологості теж очікувано зросла - пристрої зберігали 97 відсотків ефективності після нагрівання до температури 85 градусів Цельсія при відносній вологості 85 відсотків. У лютому ми писали про дослідження хіміків з Саудівської Аравії і Тайваню. Вчені додали в перовскитні сонячні елементи захисний шар з 2D-перовскіту і отримали міжнародний сертифікат стабільності IEC61215:2016.