Хіміки з Саудівської Аравії і Тайваню додали в перовскитні сонячні елементи захисний шар з 2D-перовскиту. Сонячні елементи з такими захисними шарами пропрацювали більше 1200 годин при температурі 85 градусів Цельсія і відносної вологості 85 відсотків і отримали міжнародний сертифікат стабільності IEC61215:2016. Результати дослідження опубліковані в журналі
За ефективністю перовскитні сонячні елементи вже зрівнялися з лідерами ринку - кремнієвими сонячними елементами - а ось у стабільності все ще істотно поступаються. Кремнієві батареї працюють по двадцять-тридцять років, практично не втрачаючи ефективності, а перовскитні лише недавно подолали позначку в один рік.
Для поліпшення стабільності перовскітів вчені постійно шукають нові підходи. Тестувати кожен новий варіант в режимі реального часу незручно (в цьому випадку на підготовку чергової статті йшло б кілька років) тому вчені використовують процедури так званого прискореного зістарювання. Щоб процес деградації перовскіта йшов швидше, елементи відчувають в жорстких умовах: опромінюють концентрованим сонячним світлом, витримують при підвищеній температурі і вологості.
Наприклад, міжнародний сертифікат IEC61215:2016 отримують сонячні елементи, які витримують 1000 годин безперервної роботи при температурі 85 градусів Цельсія і відносної вологості 85 відсотків, втративши не більше п'яти відсотків від початкової ефективності.
Отримати такий сертифікат для перовскітів зуміли вчені з Саудівської Аравії і Тайваню під керівництвом Стефана де Вольфа (Stefaan De Wolf) з науково-технічного Університету імені короля Абдалли. Щоб домогтися високої стабільності вчені використовували два підходи.
По-перше, вони поліпшили упаковку елементів: захисне скло скріплювали між собою за допомогою вакуумного ламінування, а краї додатково запечатали бутилкаучуком, щоб запобіжити перовскіт навіть від самих незначних кількостей води і кисню ззовні. Однак, цього виявилося недостатньо. Перші випробування показали, що навіть повністю ізольовані від вологого повітря перовскіти все одно деградують під дією електричного поля і тепла.
Процес деградації перовскіту найчастіше починається на кордоні активного шару, де найбільше дефектів - домішних атомів, вакансій та інших пошкоджень кристалічної решітки. Крім того, під дією електричного поля в матеріалі може відбуватися іонна міграція: позитивно заряджені іони поступово просуваються до катода, негативно заряджені - до аноду. Щоб зупинити ці процеси, автори вставили між перовскитним шаром і електрон-транспортним шаром ще один захисний шар. Цей шар складався з того ж самого перовскіту, але був дуже тонким - всього в один шар перовскитних октаедрів. Про високу стабільність подібних структур (їх ще називають 2D-перовскитами) вчені знають вже давно. Однак, де Вольф і його колеги спробували розібратися в цьому питанні більш глибоко і підібрати оптимальний захисний шар для сонячного елемента.
Щоб отримати на поверхні стандартного 3D-перовскіта захисний шар з 2D-перовскіту, достатньо обробити поверхню розчином іодиду олеїаммонію в хлороформі. Катіон олеіламонія складається з фрагмента амонію і довгого «хвоста» олеїнової кислоти. Фрагмент амонію вбудовується в перовскитну APbX3 решітку в позицію великого катіону А, а хвости олеїнової кислоти залишаються зовні, ізолюючи окремі перовскитні шари один від одного. Змінюючи температуру, вчені отримали захисні шари різної товщини: віджиг при температурі 100 градусів Цельсія призводив до утворення одношарових 2D-перовскітів, а при кімнатній температурі, утворювалися і одношарові і двошарові (два шари перовскитних октаедрів з прошарком олеіламонію) 2D-перовскіти. Склад матеріалу в глибині і на поверхні підтвердили за допомогою люмінесцентної спектроскопії, рентгенівської дифракції і просвічувальної растрової електронної мікроскопії.
Ефективність сонячних елементів з подвійними 2D-шарами стала вищою порівняно з контрольною групою (24,3 відсотка проти 22,3 відсотка). Причин у такого поліпшення кілька: зменшення безипромінювальної рекомбінації на кордоні шарів і більш ефективне вилучення зарядів. У разі одинарних 2D-шарів ефективність теж підвищилася, але зовсім ненабагато - до 22,8 відсотка. А ось у стабільності поліпшення були набагато помітніші. Сонячні елементи з подвійними 2D-шарами пропрацювали 1250 годин при температурі 85 градусів Цельсія і відносній вологості 85 відсотків, втративши тільки чотири відсотки від початкової ефективності. Сонячні елементи з одинарними 2D-шарами за той же час втратили десять відсотків ефективності - тобто їх стабільності трохи не вистачило для отримання IEC61215:2016 сертифіката. Ефективність елементів з контрольної групи впала в тих же умовах в два з половиною рази.
Де Вольф і його колеги отримали захисні 2D-шар на поверхні чотирьох різних перовскитних матеріалів. Новий метод стабілізації простий і легко масштабується, тому автори вважають, що в майбутньому він знайде застосування у виробництві промислових перовскитних модулів.
Отримати сертифікат IEC61215:2016 року для перовскитних сонячних елементів зуміли також австралійські хіміки влітку 2020 року. Вони розробили покриття, яке оберігало перовскіти елементи не тільки від вологості, а й від термічного стресу. Вчені показали, що, якщо запечатати всі газоподібні продукти розпаду перовскиту всередині сонячного елемента, через якийсь час в системі встановлюється рівновага і деградація перовскіту зупиняється.