Исследователи из Корнеллского университета в Нью-Йорке, ведомые доктором философии Цюмином Ю и аспирантом Шрипати Рамакришнаном, создали новый материал для усовершенствования перовскитовых солнечных батарей. Данный материал, представляющий собой прочный двухмерный (2D) щит, объединяет два различных перовскитовых вещества, обеспечивая более чем 25-процентную эффективность преобразования солнечного света в электричество. Гибридная структура материала действует как защитное покрытие для хрупкого трёхмерного (3D) перовскита, обеспечивая ему устойчивость к воздействию атмосферы на молекулярном уровне.
Стабильное молекулярное спаривание стало решением главной проблемы, препятствующей прогрессу в области перовскитовых солнечных технологий. Солнечные элементы на основе перовскитов всегда привлекали внимание своей простотой, экономичностью и высокой эффективностью преобразования солнечного света в электричество, часто превосходя традиционные кремниевые панели. Однако, проблемой оставалась их уязвимость к воздействию тепла, влаги и света, что затрудняло коммерциализацию.
Согласно исследовательской группе, в предыдущих попытках защиты перовскитовых структур часто применялся метиламмоний (МА), аналог аммония. Однако этот материал оказался неустойчивым и быстро разрушался под воздействием солнечного света, что ограничивало срок службы солнечных элементов.
Рамакришнан пояснил, что при использовании MA вы получите высокую эффективность и перенос заряда, но солнечный элемент быстро уступает в работоспособности после нескольких сотен часов непрерывной эксплуатации. Для преодоления этой проблемы, группа исследователей выбрала другой подход и заменила MA на формамидиний (FA) – оптимальный материал-поглотитель, используемый в перовскитовых солнечных батареях, который менее подвержен деградации. Однако возникла некоторая сложность: увеличенные размеры FA вызывают сильное внутреннее напряжение в кристаллической структуре материала, что мешает формированию стабильного двумерного слоя.
Исследователи достигли результата, применяя концепцию совпадения решёток, которая основана на предположении о возможности соединения двумерного перовскита с трёхмерным в случае соответствия размеров решёток. Благодаря тщательному подбору органических катионов, известных как лиганды, которые естественным образом сочетаются как с катионом FA, так и с окружающей кристаллической структурой, были созданы двумерные перовскиты с определенной толщиной слоя и конфигурацией, обеспечивающие уравновешенное сочетание проводимости и устойчивости.
Исследователи применили FA для покрытия трехмерного перовскита в качестве защитного слоя. Проведенные методы анализа, включая синхротронную рентгеновскую дифракцию и конфокальную фотолюминесцентную визуализацию, выявили, что двумерный слой обладает выдающейся устойчивостью к воздействию света, тепла и влаги, превосходя версии, основанные на MA. Рамакришнан продолжил, что главная концепция заключается в том, что лиганд в перовските на двух измерениях стремится уменьшить решетку, в то время как катион FA в клетке пытается увеличить ее. По его словам, они специально выбрали лиганд, который не сильно сжимает клетку, позволяя ей немного расширяться, чтобы поместить более крупный катион FA.
Новые солнечные элементы 2D-на-3D прошли испытания и показали эффективность преобразования энергии на уровне 25,3%, что делает их высококонкурентоспособными в отрасли солнечной энергетики. Интересно, что после почти 50 дней ускоренного старения под воздействием света и тепла, имитирующим реальные условия окружающей среды, элементы сохранили 95% своей начальной производительности.