Перовскиты: революция в солнечной энергетике
Перовскиты — уникальные материалы с особой кристаллической структурой, объединяющей атомы свинца и галогенов (включая йод) с органическими или неорганическими ионами. Такая решетка превосходно поглощает свет и преобразует его в электричество. Всего за десятилетие эти элементы совершили путь от лабораторных образцов до перспективного направления солнечной энергетики. Их производство потенциально дешевле кремниевых аналогов, а эффективность почти достигла аналогичных показателей.
Йод: источник эффективности и проблем
Максимальную эффективность (свыше 26%) демонстрируют йодсодержащие перовскиты. Их энергетическая структура идеально адаптирована для поглощения солнечного света и улавливания широкого спектра излучения. Заряженные частицы в таких кристаллах обладают увеличенным сроком жизни, преодолевают большие расстояния и меньше теряются из-за дефектов, что минимизирует потери энергии. Однако длительное воздействие света и тепла приводит к утечке йода из кристаллической решетки, разрушающей металлические контакты и вызывающей постепенную деградацию батарей.
Эволюция защиты: от водородных связей к электростатике
Ранее проблему пытались решить укреплением кристаллов или введением молекул, удерживающих йод посредством водородных связей. К сожалению, такие связи недостаточно прочны для длительной эксплуатации устройств. Электростатические взаимодействия, где положительно заряженная молекула прочно фиксирует отрицательный йод, казались логичной альтернативой. Но оставался открытым вопрос: как интегрировать такие молекулы в кристаллическую решетку, не нарушив ее целостность?
Научный прорыв: международная коллаборация
Исследователи МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из Восточно-Китайского педагогического университета, Нормального университета Хэньяна и Университета Нинбо разработали инновационный метод электростатической фиксации йода внутри перовскитной структуры. Это решение значительно повышает устойчивость солнечных элементов к продолжительному световому воздействию и нагреву. Результаты революционного исследования опубликованы в престижном журнале Advanced Energy Materials.
TBAI: теория и эксперимент
На начальном этапе ученые провели теоретическое моделирование для выявления молекул, оптимально связывающих трийодид-ион (I₃⁻). Наилучшие результаты показали четвертичные аммонии — соединения, где атом азота окружен углеводородными группами. Эта конфигурация обеспечивает надежное удержание трийодида, поэтому для экспериментов был выбран тетрабутиламмоний-йодид (TBAI).
При внедрении TBAI в раствор для формирования перовскитных пленок, ученые сравнили их со стандартными образцами. Пленки с добавкой сохраняли структурную и химическую стабильность под воздействием света и тепла, в то время как контрольные образцы деградировали. Ключевым индикатором стало содержание металлического свинца — маркера распада перовскита: после 250 часов испытаний в модифицированных пленках оно осталось неизменным, тогда как в обычных возросло на 50%. Кроме того, TBAI практически полностью блокировал миграцию йода и меди между слоями.
Блестящие результаты и перспективы
Испытания готовых солнечных элементов подтвердили двойную пользу TBAI: добавка не только предотвратила деградацию, но и улучшила качество материала. Зерна перовскита стали крупнее и упорядоченнее, количество дефектов сократилось, а КПД вырос с 24,14% до впечатляющих 26,23%. Для современных устройств, работающих близко к физическим пределам, такой прирост крайне значим. Стабильность также резко возросла: после 1000 часов работы при 85°C элементы с TBAI сохранили 92,5% исходной эффективности, тогда как контрольные деградировали до 43,8% всего за 288 часов.
Авторы уверены, что управление электростатическими силами открывает путь к созданию долговечных солнечных элементов. "Теоретически этот подход применим и к другим галогенидным перовскитам, например, к материалам на основе йода и брома. Это позволит разрабатывать батареи, сочетающие рекордную эффективность с термостабильностью", — комментирует профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Андрей Васенко. Работа выполнена в рамках проекта "Разработка высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов".
Источник: naked-science.ru
