Впервые эффективность полностью неорганических перовскитных солнечных батарей превысила 20 процентов, при этом она практически не падает с течением времени. Международной группе химиков из Германии и Швейцарии удалось добиться этого, модифицировав структуру титаната кальция тиоцианатом меди. Статья опубликована в Science.

Солнечные батареи — полупроводниковые элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Они уже довольно давно используются в повседневной жизни, и основным материалом, которые удовлетворяет всех и по эффективности использования, и по сроку службы, и по стоимости, является кремний. Сейчас эффективность кремниевых батарей составляет от 10 до 20 процентов, но известно что их максимальная эффективность не может превысить 25 процентов, поэтому последние годы продолжается поиск других подходящих материалов. 

Несколько лет назад ученые предложили использовать батареи на основе соединений со структурой перовскита, в которых образование носителей заряда происходит в органическом полупроводниковом слое. Несмотря на то, что эффективность преобразования энергии в перовскитных батареях достигала 22 процентов, что близко к максимальным значениям для кремниевых элементов, такие элементы из-за наличия специального органического слоя достаточно дорогие и стареют под действием облучения, быстро теряя свою эффективность.

Слоистая структура неорганической перовскитоной солнечной батареи. N. Arora, M. I. Dar et al./ Science, 2017

В своей новой работе ученые из Швейцарии и Германии предложили вместо органического слоя в перовскитной солнечной батарее использовать слой тиоцианата меди CuSCN. Для синтеза был использован метод быстрого удаления растворителя. В результате оптимизации такого подхода, химикам удалось получить на поверхности перовскита слой тиоцианата толщиной 60 нанометров. Кроме этого, для повышения химической устойчивости элемента ученые добавили в структуру батареи слой оксида графена и покрыли ее слоем золота.

Микрофотографии (a) пленки перовскита, (b) нанесенного слоя тиоцианата меди и © поперечного среза всей слоистой структуры солнечного элемента. На рисунках (d) и (e) изображены характеристики фотолюминесценции солнечного элемента. N. Arora, M. I. Dar et al./ Science, 2017

В результате исследователям удалось получить слоистую структуру солнечной батареи, в котором носители заряда образуются в слое тиоцианата меди. Измерив характеристики фотолюминесценции и спектроскопию счета одиночных фотонов этого элемента, химики смогли рассчитать эффективность преобразования солнечной энергии и ее падение с течением времени. Если чистый перовскит излучал свет с длиной волны 773 нанометра, то тиоцианат меди приводил к его поглощению и возбуждению носителей заряда, преобразуя световую энергию в электрическую.

Оказалось, что для такого элемента эффективность преобразования солнечной энергии превышает 20 процентов, как и для металлоорганических солнечных элементов, которые были предложены ранее, но при этом даже за 1000 часов при температуре 60 градусов эффективность падает не больше, чем на 5 процентов. Небольшое падение эффективности, которое удалось обнаружить, ученые связывают с деградацией поверхности раздела фаз золота и тиоцианата меди.

По словам ученых, полученные результаты — значительный шаг вперед в разработке методов получения перовскитных солнечных батарей. Исследование таких материалов продолжается последние несколько лет. Еще в 2015 году ученые показали, что эффективность органо-неорганические перовскитных материалов может превышать 20 процентов, а после этого изучение механизмов проводимости дало основания предполагать, что она может быть значительно увеличена.

Автор: Александр Дубов