Сотрудниками Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН) и Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН (ФИЦ ХФ РАН) был разработан метод пассивации дефектов в перовскитных солнечных элементах с использованием «зелёных» полимеров на основе полисукцинимида.

Перовскитные солнечные элементы (ПСЭ) — одно из важнейших направлений современной фотовольтаики. Солнечные батареи на основе гибридных перовскитов в будущем могут составить конкуренцию кремниевым солнечным панелям, за счёт более простых и дешёвых методов изготовления и сравнимых значений КПД. К сожалению, использование перовскитных солнечных батарей ограничено их низкой устойчивостью к условиям окружающей среды (влага, кислород), и по этой причине первостепенной задачей, стоящей перед учёными, является улучшение их стабильности. Плёнки гибридных перовскитов неизбежно содержат дефекты в объёме или на границах зёрен, что пагубно влияет на эффективность и стабильность всего солнечного элемента, поскольку они действуют и как центры деградации, и как центры рекомбинации, то есть  снижают количество свободных зарядов и, как следствие, величину тока в ПСЭ. Пассивация дефектов в перовскитных плёнках имеет первостепенное значение для повышения эффективности и долговременной стабильности ПСЭ.

На сегодняшний день одним из перспективных методов модификации перовскитных материалов с целью пассивации дефектов является введение полимерных добавок в объем перовскитного слоя. Ранее для этой цели учёными использовались в основном синтетические полимеры, а высокие концентрации этих добавок могут привести к образованию нежелательных полимерных фаз внутри слоя перовскита или затруднить перенос зарядов из-за изолирующей природы полимера. Поэтому очень важно изучить возможность использования дешёвых «зелёных» полимеров, которые могли бы улучшить как фотоэлектрические характеристики, так и стабильность ПСЭ, обеспечивая эти эффекты при минимально возможных концентрациях добавок.

В качестве полимерной добавки в настоящем исследовании был использованы полисукцинимид и его производное полиаспарагиновая кислота — это «зелёные» полимеры, то есть нетоксичные и безопасные для окружающей среды. Эти недорогостоящие материалы получают путём термической поликонденсации L-аспарагиновой кислоты. В ходе исследования сотрудниками ИБХФ РАН и ФИЦ ХФ РАН было установлено, что модификация перовскитных плёнок выбранными «зелёными» полимерами приводит к улучшению морфологических и оптоэлектронных характеристик гибридных перовскитов, путём увеличения размеров перовскитных зёрен и снижения плотности дефектов. В результате эффективность ПСЭ увеличивается и достигает значений более 20 % в стандартных условиях AM1.5G. Модифицированные «зелёными» полимерами лабораторные образцы ПСЭ демонстрируют повышенную стабильность при работе на открытом воздухе, сохраняя до 80 % от своей начальной эффективности в течение более чем 40 дней, тогда как без добавок за это время они сохранили бы не более 25 % от начальной эффективности.

«В этой работе мы впервые использовали полностью «зелёную» полимерную добавку на основе полисукцинимида, как перспективную замену синтетическим полимерам для модификации перовскитных солнечных элементов. Высокий молекулярный дипольный момент сукцинимида и наличие карбонильных групп способствовал молекулярным взаимодействиям молекул полимера с катионами CH₃NH₃⁺ и анионами иодоплюмбата. Ключевым фактором наблюдаемого повышения эффективности модифицированных полисукцинимидом перовскитных солнечных элементов стало подавление рекомбинационных потерь и увеличение времени жизни носителей заряда за счёт эффективной пассивации поверхностных дефектов», — объяснил один из авторов работы, сотрудник ИБХФ РАН кандидат химических наук Сергей Сергеевич Козлов.

Полученные результаты открывают перспективный подход к применению недорогих «зелёных» полимерных материалов в перовскитной фотовольтаике.

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты опубликованы в журнале Polymers.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.