Сотрудники факультета наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова объяснили ключевые механизмы взаимодействия гибридных перовскитов с растворителями и на основе полученных результатов предложили новые подходы к получению перовскитного светопоглощающего слоя тонкоплёночных солнечных элементов из слабокоординирующих апротонных растворителей. Результаты работы опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

На сегодняшний день тонкоплёночные солнечные элементы на основе гибридных перовскитов уже достигли КПД 23,2%, превзойдя традиционные солнечные батареи на основе кремния. При этом светопоглощающий слой перовскита в таких устройствах может быть получен более простыми и дешёвыми растворными методами. В новом исследовании, выполненном в Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики под руководством заведующего лабораторией к.х.н. Алексея Тарасова, молодые учёные исследовали процессы кристаллизации перовскита из обладающего необычными свойствами растворителя –  гамма-бутиролактона (ГБЛ).

«Разрабатывая новые инновационные безрастворные методы получения солнечных элементов в нашей лаборатории, мы уделяем большое внимание фундаментальным аспектам химии перовскитов. Это традиционная особенность материаловедческой школы МГУ, отличающая нас от большинства мировых групп», – рассказывает руководитель Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики МГУ Алексей Тарасов.

Для нанесения тонких плёнок перовскита из растворов обычно используются два растворителя: диметилсульфоксид и диметилформамид. Однако более ранние работы учёных МГУ« показали»:[https://scientificrussia.ru/…jpcc.7b08468], что кристаллизация из них протекает через образование промежуточных соединений – кристаллосольватов, которые могут ухудшать морфологию и функциональные свойства перовскитного слоя.

В качестве растворителя для перовскита был известен также ГБЛ, проявляющий так называемую ретроградную растворимость (при повышении температуры растворимость перовскита в нём понижается). Эту особенность исследователи широко применяли для получения монокристаллов, а попытки получить тонкую плёнку заканчивались формированием отдельных кристаллитов на подложке. Долгое время причины такого необычного поведения растворов перовскитов в ГБЛ были неизвестны. Считалось, что взаимодействие перовскит-ГБЛ настолько слабое, что он даже не образует с ним сольватов. Однако учёные обнаружили, что существует как минимум три вида кристаллосольватов перовскита с ГБЛ, а некоторые из них имеют уникальную кластерную структуру. Стало ясно, что равновесия в растворах перовскита в ГБЛ значительно сложнее, чем представлялось ранее.

«Мы установили, что при комнатной температуре перовскит растворяется с образованием таких кластеров, а при нагреве они распадаются до малоразмерных комплексов. Это приводит к пересыщению и выпадению перовскита из раствора в виде монокристаллов. Мы показали, что именно выпадение кластерного аддукта вместо перовскита препятствовало получению тонких плёнок из этого растворителя и на основе понимания процессов, протекающих при растворении перовскита в ГБЛ, мы предложили подходы, направляющие кристаллизацию перовскита в обход образования кластеров, что впервые позволило получить из него качественные плёнки. Это отличный пример практического применения фундаментальных химических знаний для решения прикладных материаловедческих задач – именно того, что во всем мире принято называть фундаментальным материаловедением», - отметил Алексей Тарасов.

Исследование проходило в сотрудничестве с учёными Курчатовского центра синхротронного излучения.