Новые ионные жидкости повышают стабильность солнечных батарей

Солнечные батареи, устройства, способные преобразовывать солнечный свет в электричество, уже вносят вклад в сокращение выбросов ископаемого топлива по всему миру. В последние годы инженеры-энергетики исследуют потенциал материалов, отличных от кремния, для создания эффективных, долговечных и более доступных солнечных элементов. Среди таких материалов особое внимание уделяется перовскитам, в частности, галогенидным перовскитам – материалам с характерной кристаллической структурой (ABX₃), содержащим галогены. Эти соединения обладают отличной способностью поглощать свет и переносить заряды, что позволяет создавать фотовольтаические элементы с высокой эффективностью преобразования энергии (PCE).

Однако большинство перовскитных солнечных батарей значительно уступают по стабильности традиционным кремниевым аналогам, что приводит к быстрому снижению их производительности со временем. Исследователи из Университета Пердью, Университета Эмори и других институтов разработали новую стратегию для улучшения эксплуатационной стабильности галогенидных перовскитных солнечных элементов. Предложенный ими подход, подробно описанный в журнале Nature Energy, заключается в модификации солнечных батарей специально разработанными ионными жидкостями – солями, остающимися в жидком состоянии при низких температурах и обладающими сильным взаимодействием с определенными материалами.

«Наша группа специализируется на органическом синтезе, росте гибридных перовскитных кристаллов и проектировании устройств», — рассказал старший автор исследования Летиан Доу. «Наш промышленный спонсор обратился к нам с просьбой синтезировать новые добавки для улучшения долгосрочной стабильности устройств. Мы изучили литературу и были вдохновлены предыдущими работами, где ионные жидкости использовались в качестве добавок. Мы заметили, что исследователи, проводившие эти работы, использовали лишь простые коммерчески доступные ионные жидкости, не уделяя должного внимания детальной разработке их молекулярной структуры».

Вдохновившись предыдущими исследованиями, Доу и его коллеги приступили к созданию новых молекул, которые бы интенсивно взаимодействовали с перовскитами, снижая мелкие дефекты и замедляя деградацию. Важно отметить, что разработанные ими ионные жидкости оказались более эффективными в стабилизации перовскитных солнечных батарей по сравнению с теми, что были представлены ранее.

Новые ионные жидкости для улучшения солнечных батарей

Галогенидные перовскитные солнечные батареи обычно состоят из трех слоев: двух так называемых интерфейсных слоев и активного перовскитного слоя, расположенного между ними. «Минимизация дефектов в перовскитном слое, а также на двух интерфейсах (верхнем и нижнем) имеет первостепенное значение», — пояснил Доу. «Несмотря на широкие усилия по улучшению верхнего интерфейса путем нанесения дополнительного пассивирующего слоя, мало внимания уделялось пассивации объемных дефектов и нижнему (скрытому) интерфейсу».

Наиболее перспективная ионная жидкость, разработанная исследователями и получившая название MEM-MIM-CI, прочно связывается с положительно заряженными ионами свинца в перовскитах, одновременно заполняя вакансии галогенов (то есть места, где отсутствуют ионы галогенов). Доу и его коллеги добавили эту жидкость в перовскитный материал, затем использовали его для создания солнечной батареи и оценили ее стабильность.

«Эти новые ионные жидкости, добавляемые в перовскитный прекурсор, образуют промежуточную фазу во время кристаллизации», — сказал Доу. «Эта промежуточная фаза замедляет кристаллизацию и способствует росту крупных зерен перовскита с меньшим количеством дефектов. Кроме того, мы обнаружили, что новая ионная жидкость преимущественно накапливается на нижнем интерфейсе, подавляя образование дефектов».

Команда исследовала производительность солнечной батареи на основе их улучшенного перовскитного материала в очень жестких условиях. Изначально тестирование проводилось при температурах 65–80°C под интенсивным светом (1-Sun, что соответствует полному солнечному освещению). «Наш спонсор впоследствии установил более высокую планку и захотел увидеть, как устройство деградирует в еще более суровых условиях — при температуре не менее 90°C с освещением», — поделился доктор Венчжан Сюй, первый автор исследования. «Поэтому мы также реализовали эти жесткие условия и продемонстрировали, что наши устройства сохраняют 90% своей первоначальной производительности в течение более 1500 часов непрерывного освещения 1-Sun при температуре 90°C в режиме разомкнутой цепи — это более жесткие условия, чем те, которые обычно используются другими исследователями».

К развертыванию перовскитных солнечных батарей

Первоначальные результаты, полученные Доу, Сюем и их коллегами, подчеркивают потенциал тщательно разработанных ионных жидкостей для повышения стабильности галогенидных перовскитных солнечных батарей. В будущем эти исследования могут вдохновить другие научные группы на создание аналогичных ионных жидкостей и их добавление в перовскитные прекурсоры.

«Используемые нами материалы очень легко синтезировать и масштабировать», — отметил Доу. «Эта стратегия может быть распространена на промышленное производство крупномасштабных PSC, поскольку используемые ионные жидкости также совместимы с масштабируемыми методами нанесения из раствора, такими как нанесение лезвием. Кроме того, мы обнаружили, что ионные жидкости могут повышать эффективность и стабильность перовскитных систем с широкой запрещенной зоной и без содержания свинца, демонстрируя универсальность этой стратегии для применения в тандемных солнечных элементах».

В настоящее время Доу и его соавторы планируют дополнительные исследования, направленные на повышение стабильности перовскитных фотовольтаических устройств. В частности, они работают над созданием еще более эффективных молекул, которые могли бы дополнительно улучшить долговечность солнечных батарей в реальных условиях. «Мы также стремимся глубже понять фундаментальные механизмы взаимодействия ионных жидкостей с перовскитами, используя передовые методы спектроскопии и визуализации», — добавил Доу. «Мы приветствуем сотрудничество с другими промышленными партнерами (патент, связанный с этой технологией, доступен для лицензирования). Мы надеемся, что это нововведение будет способствовать коммерциализации и широкому внедрению стабильных PSC».