По сообщениям Пресс - службы МГУ, сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ изучили процессы формирования светопоглощающего слоя перовскитных солнечных батарей и открыли 4 новых соединения, которые образуются на начальном этапе его кристаллизации. Результаты работы опубликованы в престижном международном журнале Chemistry of Materials.
Перовскитные солнечные батареи — новое поколение устройств, преобразующих энергию солнечного света в электричество. В настоящее время КПД таких устройств составляет более 25%, превышая рекордные значения наиболее распространённых сегодня солнечных батарей на основе поликристаллического кремния.
Основа перовскитного солнечного элемента — тонкий слой кристаллического светопоглощающего материала — гибридного перовскита. Этот материал имеет такую же структуру, как и одноимённый минерал «перовскит», однако совсем иной химический состав. В отличие от природного минерала, имеющего химическую формулу CaTiO3, гибридные перовскиты, синтезируемые в лаборатории и используемые для солнечных батарей, состоят из органических (метиламмоний, формамидиний) и неорганических (ионы свинца, брома, йода) ионов. Поскольку такие соединения сочетают органическую и неорганическую части, их называют гибридными, а их общая формула может быть представлена как APbX3 (A = MA, FA; X = I, Br).
Химический состав гибридного перовскита определяет его свойства. Например, насколько хорошо он будет поглощать свет и насколько устойчив будет к факторам окружающей среды. Последние исследования в области перовскитных элементов показали, что использовать катион формамидиния предпочтительнее, чем катион метиламмония: получаемые на его основе перовскитные солнечные батареи обладают большей стабильностью и эффективностью.
В отличие от других светопоглощающих материалов, гибридные перовскиты имеют важное преимущество: их можно получать кристаллизацией из растворов в органических растворителях (DMF или DMSO). Несмотря на то, что количество работ, посвящённых растворным методам получения гибридных перовскитов исчисляется уже тысячами, механизм кристаллизации, критически влияющий на свойства получаемого материала, по-прежнему оставался малоизученным.
Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ ранее установили, что кристаллизацией гибридного перовскита MAPbI3 из DMF можно управлять, контролируя образование промежуточных фаз, а изучение взаимодействие перовскитов с растворителями позволило сотрудникам разработать новую систему классификации растворителей.
В новой работе учёные рассмотрели все возможные составы кристаллизуемой системы — варьировали тип катиона, аниона, тип растворителя, а также соотношение исходных реагентов в растворе — и установили, какие соединения образуются в ходе кристаллизации данных систем. Отельное внимание было уделено системе с катионом формамидиния, которая в настоящее время считается наиболее перспективной для создания высокоэффективных перовскитных солнечных элементов. В ходе работы было обнаружено 4 новых промежуточных фазы с этим наиболее перспективным катионом и показаны существенные различия в пути кристаллизации в зависимости от состава раствора.
«Проведённая работа имеет важное фундаментальное значение, поскольку мы изучили пути кристаллизации для всех возможных случаев. Это позволило показать полную и завершённую картину того, какие промежуточные соединения могут образовываться при кристаллизации перовскитов с различным составом из различных растворителей. Полученные результаты имеют также и непосредственную практическую значимость. Как нами было показано ранее, путь кристаллизации напрямую обуславливает свойства получаемого материала. Благодаря нашей работе теперь стало известно, какие возможные продукты могут образоваться при получении гибридных перовскитов, и как следует выбирать состав, чтобы управлять кристаллизацией. Таким образом, рациональный выбор составов и контроль условий кристаллизации позволят получить более стабильные и более эффективные перовскитные солнечные батареи», — рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах и старший научный сотрудник химического факультета МГУ.
Отдельно стоит отметить, что в работе принял участие студент 4 курса факультета наук о материалах Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне Ли Юймао. Это уже вторая опубликованная работа в области перовскитных солнечных элементов, выполненная при участии студентов ФНМ Совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда (грант 18-73-10224).
