Новый взгляд на стабильность перовскитных солнечных элементов
В журнале Nature Energy (импакт-фактор 60,1) вышла аналитическая статья международного коллектива исследователей, посвящённая вопросу долговременной стабильности материалов для перовскитных солнечных элементов.
Исследование объединило усилия специалистов из трёх научных центров: Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка, Россия), Физического факультета Гонконгского университета (Китай) и хорватского Института Руджера Бошковича (Загреб).
В мире возобновляемой энергетики перовскитные солнечные элементы уже несколько лет удерживают статус многообещающей технологии. Лабораторные образцы демонстрируют КПД, сопоставимый с традиционными кремниевыми аналогами, а процесс их изготовления потенциально дешевле и менее энергозатратен. Однако между впечатляющими цифрами в научных отчётах и реальным применением на крышах домов или в промышленных масштабах лежит серьёзное препятствие — долговременная стабильность.
Перовскиты — сложные кристаллические структуры на основе галогенидов свинца — проявляют высокую чувствительность к внешним воздействиям. При работе солнечного элемента, когда на материал одновременно действуют свет и электрическое поле, в нём запускаются фото- и электрохимические окислительно-восстановительные реакции. Долгое время основное внимание исследователей было сосредоточено на окислении йодид-анионов — одного из ключевых компонентов перовскита. Однако авторы данного исследвания акцентируют внимание на другом, не менее важном аспекте: необратимых превращениях органических катионов, входящих в кристаллическую решётку.
Эти процессы, как показывают авторы, не просто сопровождают деградацию — они часто становятся её движущей силой. Окисление или восстановление органических фрагментов ведёт к нарушению структурной целостности: начинается сегрегация галогенидов, ускоряется миграция ионов, и в конечном счёте материал теряет свои фотоэлектрические свойства. Устройство перестаёт работать не из-за одного «критического» фактора, а в результате цепочки взаимосвязанных химических превращений.
Публикация опирается на результаты, полученные более десяти лет назад в ФИЦ ПХФ и МХ РАН, когда впервые под руководством заведующего отделом кинетики и катализа, ведущего научного сотрудника ФИЦ ПХФ и МХ РАН, П.А. Трошина были детально описаны механизмы деградации комплексных галогенидов свинца под действием света и электрического поля. Эти ранние работы заложили основу для понимания того, почему перовскитные элементы со временем теряют эффективность. Теперь, обладая более полной картиной, исследователи смогли систематизировать возможные пути окисления и восстановления органических катионов и предложить конкретные стратегии борьбы с нежелательными реакциями.
Среди таких подходов — целенаправленный молекулярный дизайн органических компонентов, введение стабилизирующих добавок на этапе синтеза, а также оптимизация архитектуры самого солнечного элемента. По мнению авторов, комбинация этих методов способна приблизить технологию к тому уровню надёжности, который необходим для коммерческого внедрения.
Источник: ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
