Ученые РАН разработали метод увеличения стабильности перовскитных солнечных элементов, изменив структуру поверхности оксида цинка. Введение аминогрупп позволяет продлить срок службы фотовольтаических устройств.
Российские ученые совместно с зарубежными коллегами пересмотрели проблему стабильности перовскитных солнечных элементов — одной из ключевых технологий будущего солнечной энергетики. Исследование показывает, что долговечность этих устройств можно значительно увеличить, изменив химию поверхности электронно-транспортного слоя на основе оксида цинка.
В проекте участвовали специалисты из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Физического факультета Гонконгского университета (Китай) и Института Руджера Бошковича (Загреб, Хорватия). Результаты были опубликованы в журнале Nature Energy.
Солнечные элементы на основе синтетических перовскитов за последние годы достигли эффективности свыше 26%, однако их коммерческое внедрение затрудняется недостаточной устойчивостью при длительной эксплуатации. Одной из причин ускоренной деградации является взаимодействие активного перовскита с оксидом цинка (ZnO), который используется в качестве электронно-транспортного слоя благодаря своей прозрачности, высокой подвижности электронов и возможности низкотемпературного нанесения. Однако прямой контакт этих материалов приводит к разрушению перовскита. Говоря образно, у двух партнеров не получается долго работать в одной команде.
Аминные группы как защитный барьер
Исследователи продемонстрировали, что ситуация меняется при модификации поверхности ZnO аминными группами — радикалами NH2. Эти группы формируются при нанесении пленок из растворов гидроксида цинка в аммиаке (NH4), метиламине (CH3NH2) или более сложных алифатических аминах. В результате на поверхности образуется электрохимический защитный слой, который стабилизирует перовскитный материал и предотвращает его разрушение.
Эксперименты показали, что синтетический перовскит сохранял свои свойства более 4000 часов непрерывного освещения без заметной деградации. Другой более стабильный состав демонстрировал устойчивость свыше 5000 часов. Теоретические расчеты подтвердили, что аминные группы формируют прочные связи на границе ZnO/перовскит и препятствуют образованию продуктов распада, включая йодид свинца PbI₂.
Перспективы для солнечной энергетики
Лабораторные образцы устройств с такой пассивацией сохраняли около 68% исходной эффективности после 2500 часов непрерывного освещения, в то время как элементы с традиционным ацетатным ZnO деградировали значительно быстрее. Авторы подчеркивают, что контроль поверхностной химии одного и того же материала позволяет кардинально изменять его свойства и открывает путь к созданию более долговечных солнечных элементов.
Данный подход потенциально применим и к другим оксидным слоям — например, на основе диоксидов титана и олова (TiO₂ и SnO₂), которые также применяются в перовскитной фотовольтаике. Это превращает разработку в универсальный инструмент для повышения стабильности устройств нового поколения.
Любопытные факты
За последние десять лет эффективность перовскитных фотоэлементов возросла с 4% до более чем 25%, что делает их одним из самых быстроразвивающихся направлений солнечной энергетики (по данным научных публикаций и отраслевых обзоров). Тандемные кремний-перовскитные элементы уже показывают эффективность свыше 30%, превосходя теоретический предел для кремния, что усиливает интерес к технологии.
Одной из основных проблем перовскитов является деградация под воздействием света, влаги и температуры — поэтому большинство современных исследований сосредоточено на стабилизации интерфейсов и пассивации дефектов. В работе подчеркивается, что целенаправленный контроль химии поверхности оксида цинка способен одновременно повысить эффективность и долговечность устройств, открывая новое направление для развития перовскитной фотовольтаики.
Тем временем в России уже разработали инновационные перовскитные элементы для солнечных батарей в космосе. Подробности — в статье Hi-Tech Mail.
Фото: hi-tech.mail.ru
