Зняття внутрішньої напруги в кристалах поліпшило перовскитні батареї

Вчені виявили, що опромінення перовскитних сонячних елементів світлом з енергією більше ширини забороненої зони дозволяє зняти внутрішні напруги в перовскитних кристалах, що призводить до підвищення ефективності сонячної батареї. Опромінення протягом трьох годин підвищило ефективність гібридної органо-неорганічної батареї з 18,6 до 20,5 відсотків і довело час її стійкої роботи до 1500 годин, пишуть вчені в статті.

На сьогоднішній день перовскитні сонячні елементи вважаються однією з найбільш перспективних альтернатив батареям з кремнію або арсеніда галію. Ці сонячні батареї мають шару, в якій основний функціональний шар складається з гібридного органо-неорганічного напівпровідникового кристала зі структурою перовскіту (як правило, використовується змішаний іодид метиламмонію і свинцю CH₃NH₃PbI₃ або його аналоги).

Однак, незважаючи на те, що за своєю максимальною ефективністю перовскитні батареї зараз вже знаходяться на одному рівні з кремнієвими елементами, їх промисловому використанню заважає ряд недоліків, найбільш помітний з яких - швидка хімічна деградація компонентів батареї. Через підвищений енергетичний бар'єр для носіїв заряду на стику між напівпровідниковими елементами батареї і електродами ці контакти швидко руйнуються, що призводить до швидкого зниження ефективності сонячного елемента з плином часу.

Група матеріалознавців з США і Франції під керівництвом Адітьї Мохіти (Aditya D. Mohite) з Лос-Аламоської національної лабораторії показала, що підвищити стійкість і ефективність гібридного органо-неорганічного перовскитного сонячного елемента можна за рахунок зниження внутрішньої механічної напруги в перовскіті при опроміненні її світлом з енергією більше ширини забороненої зони. У роботі вчені дослідили кілька органо-неорганічних перовскітів, найбільш ефективним з яких виявився кристал, до складу якого входить іон формамідінія (CH (N_H2₎ 2 +) загального складу (CH (_NH₂₎ 2) ₀,7 (_CH3NH3_{) 0,}25C_s0,05PbI3.

Цей перовскіт у вигляді тонкої плівки товщиною близько 300 нанометрів використовували як компонент плоскої сонячної батареї. Відразу після отримання плівки її опромінювали світлом у видимій області протягом трьох годин інтенсивністю близько 100 мілівольт на квадратний сантиметр. Зміни, які відбувалися при опроміненні з кристалічною структурою перовскіту, вчені вимірювали за допомогою рентгенівської спектроскопії. Виявилося, що опромінення дозволяє збільшити розмір комірки кристала відразу на 1,4 відсотка, перевівши кристал з напруженого стану в рівноважний. За словами вчених, такого розширення виявляється достатньо для узгодження кристалічних структур окремих шарів між собою, зменшення кількості дефектів у кристалі і, відповідно, зниження енергетичного бар'єру при перенесенні носіїв заряду з одного шару в інший, що дозволяє поліпшити основні характеристики батареї.

Вчені відзначають, що розширення кристала приблизно того ж порядку характерне і для іодиду метиламонія-свинцю, тобто, швидше за все, характерно для великої кількості матеріалів цього класу гібридних перовскітів.

При звичайній інтенсивності сонячного світла, характерної для безхмарного дня (близько тисячі ватт на квадратний метр) ефективність батареї падала на 15 відсотків за 800 годин і ще приблизно на 15 відсотків - за наступні 700 годинник. При цьому навіть при підвищенні інтенсивності в 10 разів, падіння ефективності становить не більше 20 відсотків за 10 годин.

В якості іншого способу знизити швидкість деградації перовскитних батарей хіміки пропонують використовувати хімічну модифікацію окремих компонентів батареї або додавання в неї нових шарів. Наприклад, за допомогою додавання в структуру батареї легованого танталом оксиду вольфраму вченим вдалося збільшити термін їх служби приблизно в 10 разів. Інша група дослідників використовувала в батареї шар фторованого графена, що дозволило скоротити падіння їх ефективності за 30 днів роботи всього до 18 відсотків.