Российские ученые нашли идеальный размер проводящего слоя в солнечных батареях

Ученым удалось впервые получить материал, проявляющий уникальные химические и магнитные свойства.

Ученые из НИТУ «МИСиС» и Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН вместе с коллегами из Италии предложили новый способ нанесения проводящего слоя в перовскитных солнечных элементах, а также оптимизировали его толщину. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.

Солнечные элементы на основе перовскита СH3NH3PbI3 — «восходящая звезда» в мире солнечной энергетики. Всего за пять лет их эффективность поднялась с 3 до почти 23 процентов и скорее всего будет повышаться дальше. Сейчас ученые всего мира продолжают работать над оптимизацией их работы и повышением стабильности.

Российские и итальянские химики оптимизировали получение h-транспортного слоя для перовскитных солнечных элементов. Этот слой предназначен для экстракции «дырок» (holes) — положительных носителей заряда из активного перовскитного слоя и переправки их к отрицательно заряженному электроду (одновременно с этим электроны движутся по своему e-транспортному слою к противоположному электроду).

Одним из лучших материалов для h-транспортного слоя считается оксид никеля NiO, который обычно наносят разложением комплексных солей при температуре 350–750 градусов Цельсия. Авторам впервые удалось получить слой NiO при более низкой температуре — 280 градусов Цельсия — из трис (этилендиамин) ацетата никеля. Это не только снижает стоимость солнечных элементов, но и хорошо влияет на стабильность других их частей, которым не приходится переживать нагрев до высоких температур.

Вновь полученные ячейки показывали эффективность в 15–17 процентов. Как отмечалось выше, максимальная эффективность перовскитных солнечных элементов приближается к 23 процентам, однако ее удалось достичь лишь на элементах со сложным составом активного слоя. В своем же исследовании россияне сосредоточились на оптимизации работы h-транспортного слоя, а активный слой использовали «стандартный», поэтому такой результат выглядит очень достойно.

Также авторы статьи синтезировали элементы со слоями NiO разной толщины (10, 18 и 27 нм) и сравнили тушение люминесценции перовскита в них. Люминесценция — это возвращение материала из возбужденного состояние в исходное, при котором электрон и дырка рекомбинируют с испусканием фотона (света с определенной длиной волны). В солнечном элементе, однако, этот красивый процесс нежелателен: терять электроны и дырки на испускание света невыгодно. Если оба слоя — электронный и «дырочный» — работают хорошо, все носители заряда эффективно извлекаются из активного слоя, рекомбинации не происходит и люминесценция гасится.

Выяснилось, что с «тушением» лучше всего справились самые тонкие слои NiO (10 нм). Самыми лучшими — и по значению полученных токов, и по общей эффективности — тоже оказались ячейки с тонким слоем NiO. В более толстых слоях (18 и 27 нм) увеличивающееся сопротивление мешало успешной экстракции дырок и снижало финальную эффективность устройства.

Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»Директор Института биомедицинской инженерии Фёдор Сенатов на визионерской сессии «Прекрасное не далеко. Квантовый мир завтрашнего дня»