Новости химической науки > Новая комбинация ионов для перовскитных солнечных батарей

Южнокорейские исследователи выявили новые закономерности, которые позволили им еще в большей степени увеличить эффективность перовскитных солнечных батарей.

Сан Ил Сеок (Sang Il Seok) из Корейского исследовательского института химических технологий смог скомбинировать наиболее часто применяющиеся перовскитные материалы на основе свинецгалогенидов метиламмония со свинецйодидом формамидиния.

Полученный в результате такой комбинации материал позволяет создать солнечную батарею, которая побивает рекорд конверсии солнечной энергии в электрическую для перовскитных батарей, составляющий 17.9% и официально зарегистрированный Национальной лабораторией возобновляемой энергии США [National Renewable Energy Laboratory (NREL)] в мае ушедшего года.

Уже майский рекорд производительности перовскитных солнечных батарей был сравним с эффективностью коммерчески доступных устройств на основе кремния, в ноябре 2014 года NREL подтвердила, что коэффициент полезного действия батарей, разработанных в группе Сеока, составляет 20.1%.

Перовскитная солнечная батарея, содержащая свинецхлорид метиламмония и свинецйодид формамидиния (крайняя справа пробирка) демонстрирует рекорд производительности. (Рисунок из Nature, 2015, DOI: 10.1038/nature14133)

Название «перовскит», которое ранее относилось к минералу – титанату кальция, в настоящее время обозначает класс веществ с мотивом кристаллической структуры AMX₃. Фотогальванические перовскиты представляют собой гибридные органические-неорганические материалы, в которых метиламмонийный ион обычно занимает положение A, свинец или олово – M, и ионы галогена – элементы X структуры AMX₃. Работы по изучению перовскитов начали свое бурное развитие после 2009 года, когда впервые была описана эффективность перовскитных солнечных батарей, достигающая 3.8%. Эффективность перовскитов определяется их электронной структурой, позволяющей проводить эффективное поглощение света, перовскиты легко проводят образовавшиеся в результате фотовозбуждения электрические заряды. Также эти вещества легко получать, они без проблем кристаллизуются из растворов.

Перовскиты обычно используются в качестве всего лишь одного слоя многослойной солнечной батареи, в которой другие материалы способствуют переходу фотогальванического тока в устройство, к которому она подключена. Ранее исследователями из группы Сеока было разработано особо эффективное многослойное устройство, в состав которого входили прозрачные электропроводные электроды из оксида титана и метиламмонийный перовскитный материал.

Ранее другие исследовательские группы замещали метиламмонийные группы формамидиевыми, которые позволяли перовскитам приобретать электронные структуры, способствующие поглощению больших количеств падающего на них света. Однако, работая при обычной температуре и умеренной влажности, формамидиниевые перовскиты перегруппировываются в нежелательную неперовскитную структуру. Для решения этой проблемы исследователи из Кореи вводили в солнечные батареи из свинецйодида формамидиния определенные количества свинецбромида метиламмония, повышая таким образом эффективность дизайна устройства. При содержании свинецбромида метиламмония в 15% эффективность фотогальванического устройства превышала 18%, а перовскитная фаза солнечной батареи при этом сохраняла устойчивость.

Мартин Грин (Martin Green) из Университета Нового Южного Уэльса (Сидней, Австралия) отмечает, что такое увеличение эффективности перовскитных солнечных батарей является важным шагом, однако подчеркивает, что новые устройства еще не готовы для применения. Он заявляет, что ячейки крошечные, их площадь меньше, чем 0.1 см² (это в 2000 раз меньше площади коммерчески доступных кремниевых солнечных батарей) и, что не менее важно, в работе Сеока не обсуждаются вопросы устойчивости новых перовскитов к влаге или ультрафиолетовому облучению.

Источник: Nature, 2015, DOI: 10.1038/nature14133

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия, #фотохимия, фотокатализ, #электрохимия