Матеріалознавці підвищили стабільність та ефективність широкозонних перовскитних сонячних елементів, які можна використовувати як верхню частину тандемного сонячного модуля. Додавання солі заміщеного піперидинія в перовскитний шар запобігає окислення аніонів іоду до молекулярного іоду, в результаті чого сонячні елементи зберігають 95 відсотків своєї ефективності після 1000 годин роботи. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Тандемні сонячні модулі складаються з двох напівпровідникових сонячних елементів, розташованих один під одним. Спочатку сонячний промінь проходить через верхній напівпрозорий напівпровідник з більшою шириною забороненої зони, де поглинаються найбільш високоенергетичні фотони (з меншою довжиною хвилі). Фотони з меншою енергією проходять наскрізь і поглинаються в нижньому напівпровіднику з меншою величиною забороненої зони. Таким чином, тандемна архітектура дозволяє максимально ефективно використовувати весь спектр сонячного випромінювання.
В якості нижньої частини тандему найчастіше використовують кремній, а для верхньої одним з кращих матеріалів вважаються широкозонні перовскитні напівпровідники на основі змішаних галогенідів свинцю з добавками цезію і брому. На початку 2020 року тандем кремній-перовскіт досяг ефективності в 29,1 відсотка - це майже на 3 відсотки більше, ніж рекордна ефективність кремнієвих сонячних елементів. Для комерційного використання кремній-перовскитному тандему поки що не вистачає стабільності. «Слабка ланка» таких тандемів - звичайно, перовскить: якщо кремнієві сонячні елементи зберігають свою ефективність протягом десятків років, то кращі перовскіти витримують поки тільки кілька тисяч годин роботи.
Сонячні елементи на основі широкозонних перовскітів вважаються більш стабільними, ніж стандартні перовскіти - вони не містять у своєму складі метиламонію, який дуже чутливий до термічного стресу, однак у таких пристроїв є і серйозний недолік. Справа в тому, що при виготовленні монолітних тандемів всі шари перовскитного сонячного елемента потрібно послідовно наносити на готовий кремнієвий сонячний елемент - нижню частину майбутнього тандему. Щоб не пошкодити кремнієвий елемент, синтез проводять в м'яких умовах, при температурі не вище 200 градусів Цельсія. Цієї температури цілком достатньо для кристалізації перовскитного активного шару, але не завжди достатньо для нанесення транспортних шарів, які розташовуються зверху і знизу від активного шару і забезпечують поділ зарядів в сонячному елементі. У тандемних сонячних елементах не можна використовувати оксидні транспортні шари, для кристалізації яких потрібна висока температура (понад 400 градусів Цельсія), тому їх доводиться замінювати на органічні та полімерні матеріали, які можуть бути менш стабільними.
Нова робота матеріалознавців з п'яти країн під керівництвом Генрі Снейта (Henry J. Snaith) з Університету Оксфорда присвячена стабілізації широкозонних перовскітів сонячних елементів - прототипів верхньої частини тандему. Вони виготовляли Cs0.17FA0.83Pb (I1-xBrx) 3 з різним вмістом брому і різною величиною забороненої зони - від 1,56 до 1,76 електрон-вольт. Як електрон-транспортний шар вчені використовували похідне фуллерена PCBM, а як дироково-транспортний шар - полі (4-бутилфеніл-дифеніламін) (polyTPD). Всі ці матеріали можна наносити при низькій температурі (не вище 130 градусів Цельсія), тому такий сонячний елемент цілком можна синтезувати як другий шар поверх кремнієвого сонячного елемента.
Для підвищення стабільності дослідники додавали в активний шар тетрафторборат 1-бутил-1-метил-піперидинія (BMP) - його кількість варіювалася від 0 до 0,3 мольного відсотка, оптимальний ефект забезпечила добавка 0,25 відсотка. Комірки з добавками BMP дійсно виявилися помітно стабільнішими: вони зберігали 95 відсотків своєї ефективності після 1000 годин опромінення сонячним світлом при температурі 60 градусів Цельсія, в той час як такі ж елементи без добавок втрачали більше половини своєї ефективності вже за перші 200 годин експерименту. Крім того добавка BMP поліпшила напругу холостого ходу і ефективність сонячних елементів - в середньому на півтора відсотка.
Автори припустили, що добавка BMP пригнічує окислення аніонів іоду до молекулярного іоду, який потім залишає кристалічну решітку - процес, з якого часто починається деградація перовскитних матеріалів. Для підтвердження цього припущення вони помістили дві перовскитні плівки з добавкою BMP і без добавок в ємність з толуолом (органічним розчинником, який не розчиняє перовскіти, але добре розчиняє іод) і опромінювали сонячним світлом при температурі 60 градусів Цельсія.
Згідно з даними спектроскопії поглинання, кількість розчиненого іоду в першому випадку була майже вдвічі нижчою. Дослідники запропонували цьому наступне пояснення. По-перше, добавки BMP покращують кристалізацію перовскіту, тому в таких плівках міститься менше дефектів Френкеля (вакансій іоду і міжузельних пар) і менше залишків непрореагував іодид свинцю - основного джерела рухомих іодид-іонів, схильних до окислення. По-друге, наявність BMP знижує швидкість дифузії дефектів через перовскитний матеріал - тому двом міжвузельним частинкам іоду (в аніонній або вже оксиленій формі) складніше зустріти один одного і утворити молекулу іоду, щоб потім покинути кристалічну решітку перовскіту.
Крім того, виявилося, що використання полімерних транспортних шарів, яке часто буває причиною низької стабільності перовскитних сонячних елементів, в даному випадку навпаки було корисним для стабільності. У сонячних елементах з оксидним транспортним шаром, іонні добавки нерідко накопичуються на кордоні активного і транспортного шарів, а в глибині перовскитного шару їх концентрація невисока. А в сонячному елементі з полімерним транспортним шаром, згідно з даними мікроскопії, добавка BMP виявилася розподілена більш рівномірно по всьому перовскитному шару, тому її стабілізуюча дія посилилася.
Нещодавно австралійські вчені опублікували дослідження про нові способи інкапсуляції перовскитних сонячних елементів, що містять метил-амонієвий фрагмент. Виявилося, що за допомогою інкапсуляції можна не тільки захистити перовскит від вологи і кисню, але і підвищити його термічну стабільність.