Исследователи из Китая и Великобритании повысили выходное напряжение инвертированной перовскитной солнечной батареи до рекордных 1,21 вольта, сохранив при этом силу производимого ей тока. Для этого ученые снизили интенсивность безызлучательной рекомбинации электронов и дырок, обрабатывая поверхность перовскитной пленки бромидом гуанидина. Итоговый КПД батареи составил примерно 21 процент, говорится в статье, опубликованной в Science.

Перовскитные солнечные батареи считаются одной из самых перспективных замен батареям из кремния или арсенида галлия — такие батареи дешевы в производстве, а их эффективность достигает 20 процентов, что не уступает широко распространенным кремниевым батареям. Перовскитные батареи бывают нескольких типов — например, инвертированные батареи состоят из нескольких слоев с перовскитной кристаллической структурой, проложенных слоями полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. Перовскит — это минерал, обнаруженный в 1839 году в Уральских горах и названный в честь коллекционера графа Льва Перовского; кристаллическая решетка перовскита состоит из атомов титана, кальция и кислорода, находящихся в вершинах кубов, кубооктаэдров и октаэдров соответственно. Как правило, в солнечных батареях используют гибридные металл-органические перовскиты, например, смешанный иодид метиламмония и свинца, в котором атомы титана заменяются на атомы свинца, атомы кальция — на катионы метиламмония, а атомы кислорода — на атомы иода.

Кристаллическая структура перовскита — смеси иодида метиламмония (в центре) и свинца (синие шары). Wikimedia Commons

Несмотря на то, что с 2009 по 2015 год КПД перовскитных солнечных батарей выросло в пять раз, дальнейшее увеличение эффективности оказалось осложнено из-за сравнительно низкого потенциала на разомкнутой цепи (open-circuit voltage) Voc, не превышающего 1,1 вольта при ширине запрещенной зоны Vgap около 1,6 электронвольт. Отличие Voc от идеального значения связано с энергетическими потерями на безызлучательную рекомбинацию электронов и дырок, которая происходит как в объеме материала, так и на соединительных контактах. Различные исследовательские группы пытались повысить это значение, увеличивая размер кристаллических зерен, пассивируя поверхность материала или улучшая качество гетеропереходов. Тем не менее, до сих пор физикам не удавалось добиться напряжения Voc > 1,15 вольт.

В новой статье группа ученых под руководством Жуй Чжу (Rui Zhu) повысила это значение до 1,21 вольта, обработав бромидом гуанидина поверхность перовскитной пленки, состоящей из смеси иодида метиламмония и свинца, а также бромида формамидина и свинца. Сила производимого батарей электрического тока при этом не изменилась — а следовательно, КПД батареи вырос от 20 до 21 процента. Для инвертированных перовскитных батарей эта величина является рекордной, хотя конструкции другого типа могут обеспечить еще большую эффективность. Кроме того, батарея с обработанной батарей дольше сохраняла свои свойства.

(A) Поверхность перовскитной пленки до обработки бромидом гуанидина (слева) и после (справа). (B) Рентгеновский спектр пленки: черная линия — до обработки, красная линия — после. D. Luo et al. / Science

Кроме того, ученые проверили, что прирост эффективности связан именно с безызлучательной рекомбинацией электронов и дырок в поверхностном слое. Для этого они измерили поверхностный фотовольтаж (surface photovoltage) образцов и показали, что после обработки он сдвигается на 0,1 вольта в нужную сторону — следовательно, изменение Voc связано только с поверхностными эффектами. Затем физики исследовали электронную структуру перовскитной пленки с помощью ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии (ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS) — метода, в ходе которого поверхность образца облучают ультрафиолетом, а затем измеряют энергию выбитых из него электронов. Это также подтвердило, что энергетические уровни электронов сдвигаются на 0,1 электронвольта выше. Наконец, ученые измерили квантовый выход фотолюминисценции (photoluminescence quantum yield, PLQY), чтобы проверить, как обработка поверхности сказалась на безызлучательной рекомбинации электронов и дырок. Как и ожидалось, после обработки поверхности число излучаемых перовскитом фотонов увеличивалось (до 10 раз), что указывало на снижение частоты безызлучательных процессов.

Зависимость плотности тока от напряжения: черная линия отвечает перовскиту до обработки, красная — после. D. Luo et al. / Science

Зависимость КПД батареи от времени: : черные точки отвечает перовскиту до обработки, желтые — после. D. Luo et al. / Science

Зависимость фотовольтажа батареи от времени: : белые точки отвечают перовскиту до обработки, красные — после. D. Luo et al. / Science

Авторы статьи отмечают, что предложенный ими способ повышения эффективности перовскитных батарей можно легко применить и для других устройств, основанных на перовскитах, например, для светодиодов. Кроме того, этот способ не требует сложного оборудования и сравнительно дешев.

Первые перовскитные солнечные батареи были созданы в 2009 году группой японских ученых под руководством Акихиро Кодзимы (Akihiro Kojima) и Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) и сразу же показали довольно высокую эффективность (примерно 3,8 процента). В настоящее время КПД перовскитных батарей превышает 20 процентов; теоретически его можно довести до 66 процентов, причем определенные шаги в этом направлении физики уже делают. К сожалению, перовскитные батареи сравнительно недолговечны — продолжительность жизни даже лучших образцов составляет примерно 1500 часов. Тем не менее, польский стартап Saule Technologies обещает запустить коммерческое производство перовскитных батарей уже к концу текущего года.

Автор: Дмитрий Трунин