Ученые из Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и МГУ систематически исследовали частичную замену токсичного свинца в фотоактивном слое перовскитных солнечных батарей на катионы одно-, двух-, трех- и четырехвалентных металлов и проследили как эта замена влияет на эффективность устройств. Был предложен принцип, позволяющий предсказывать какие элементы могут быть успешно использованы для снижения токсичности перовскитного материала с сохранением его свойств, необходимых для эффективной работы фотоэлементов. Результаты проведенных исследований также позволили понять почему частичная или полная замена свинца на олово или германий приводит к значительному снижению эффективности перовскитных солнечных батарей.
Область исследований, связанная с разработкой солнечных батарей на основе органо-неорганических гибридных перовскитных материалов APbI3 (A – катион метиламмония или формамидиния), бурно развивается в последние годы во всем мире. Ежедневно выходит более 50 научных публикаций в этой области. Огромный интерес к перовскитным солнечным элементам связан с достижением КПД преобразования света >22%, сравнимых с характеристиками лучших солнечных батарей на основе кристаллического кремния. Благодаря низкой стоимости и простоте изготовления, гибридные перовскитные солнечные батареи можно смело рассматривать как одну из наиболее перспективных технологий фотоэлектрических преобразователей.
Однако практическое внедрение перовскитных солнечных батарей на основе комплексных солей свинца осложнено ввиду их низкой стабильности и достаточно высокой токсичности. Поэтому во всем мире ведется сейчас активный поиск альтернативных материалов с улучшенными свойствами. Одним из подходов является частичная или полная замена отдельных ионов в составе классических перовскитных материалов на основе комплексных йодоплюмбатов APbI3. Рассматривая замену свинца, внимание исследователей обращено к таким элементам, как олово и германий – металлам, наиболее близким по своим свойствам к свинцу. Однако характеристики солнечных элементов на основе германия и олова остаются невысокими, несмотря на усилия многих исследовательских коллективов во всем мире.
Существенно приблизится к пониманию того, как изменение химического состава фотоактивного материала влияет на эффективность работы перовскитных солнечных батарей, позволили результаты систематического исследования, проведенного учеными из Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и МГУ. В работе изучалось влияние частичной замены свинца в структуре CH3NH2PbI3 на ионы других металлов. Было показано, что замена свинца на одновалентные катионы (например, медь или серебро) не ухудшает эффективность солнечных батарей. Напротив, введение в перовскитную структуру катионов с валентностью выше двух (висмут (III), олово (IV), индий (III)) приводит к резкому падению эффективности преобразования света практически до нуля.
Павел Трошин, один из авторов исследования, профессор Центра электрохимического запасания энергии Сколтеха: “Германий (II) и олово (II) в структуре перовскитных солнечных батарей постепенно диспропорционируют. Их двухвалентное состояние неустойчиво, поэтому происходит разложение на просто металл и ионы M4+. Присутствие даже следов четырехвалентных металлов в структуре фотоактивного материала приводит к резкому падению эффективности его работы устройствах. Это связано с образованием глубоких ловушек для носителей заряда (электронов) при замещении Pb2+ на М3+ или М4+ в кристаллической структуре перовскитных пленок. Как побочный результат, в этой работе мы показали, что существуют двухвалентные металлы, которые можно внедрить в существенных количествах вместо свинца, при этом КПД солнечной батареи не падает, а даже растет. Однако пока единственный такой металл – это еще более токсичная ртуть. Тем не менее, этот результат показывает принципиальную возможность такой замены, потому необходимо продолжать дальнейшую работу в этом направлении.”
Результаты работы опубликованы в международном журнале Journal of Physical Chemistry Letters.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
