Сотрудники Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики ФНМ МГУ совместно с коллегами из японского Института передовых прикладных разработок (AIST) предложили уникальный метод получения перовскитных солнечных элементов неограниченной площади с использованием реакционных расплавов полииодидов и создали солнечные элементы с КПД > 17%. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
В работе предложено решение одной из основных проблем, препятствующих внедрению перовскитных солнечных элементов - получить тонкий равномерный светопоглощающий слой гибридного перовскита на большой площади. В основе предложенного метода — использование реакционного расплава полииодидов.
Реакционные расплавы полииодидов — это новый уникальный класс веществ, открытый в МГУ в 2016 году сотрудниками Лаборатории новых материалов для солнечной энергетики Факультета наук о материалах. Уникальной особенностью реакционных расплавов полииодидов является одновременное сочетание жидкого агрегатного состояния при комнатной температуре и высокой реакционной способности по отношению к ряду веществ. В частности, реагируя с металлическим свинцом, реакционный расплав полииодидов напрямую образует гибридные перовскиты без побочных продуктов реакции и необходимости использования растворителей.
На первый взгляд, высокая реакционная способность — несомненное достоинство реакционных расплавов полииодидов, однако слишком быстрое протекание реакции создавало определённые технологические сложности при их нанесении в виде равномерного тонкого слоя поверх напылённых плёнок металлического свинца на большой площади.
«Международное сотрудничество с коллегами из Японии — Иваном Туркевичем и Саидом Казои — началось со знакомства в Лозанне на международной конференции International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics, куда меня пригласили выступить с докладом об открытии и применении реакционных полииодидов. Мы обменялись мнениями и идеями о потенциале этого нового класса соединений для развития перовскитной фотовольтаики и начали совместную работу», — рассказал Алексей Тарасов.
В описанном в данной статье новом методе получения тонких пленок перовскита расплав полииодидов образуется in-situ непосредственно на поверхности металлического свинца. Для этого методом термического вакуумного напыления формируется двухслойная структура, состоящая из тонких плёнок металлического свинца и органической соли (например, иодида метиламмония). Компоненты двухслойной структуры сами по себе не реагируют между собой, что позволяет в процессе её формирования методом вакуумного термического напыления с высокой точностью контролировать толщину наносимых слоёв и задавать необходимое соотношение между компонентами реакции. Затем сформированная двухслойная структура подвергается обработке парами йода. При контакте паров йода с верхним слоем плёнки — органической солью — быстро образуется реакционный расплав полииодида, который тут же реагирует с нижним слоем — металлическим свинцом. В результате образуется однородная плёнка светопоглощающего слоя, толщина которой задаётся количеством нанесённого в начале процесса свинца. Необходимо отметить, что получение равномерных тонких плёнок металлического свинца, в отличие от тонких плёнок гибридных перовскитов — давно и хорошо решённая технологическая задача. Кроме того, поскольку йод — хорошо летучее соединение, небольшой нагрев всего до 40°С позволяет достигать необходимой концентрации паров йода и синтезировать тонкие плёнки светопоглощающего материала почти при комнатной температуре за считанные минуты.
Таким образом, удалось решить важную технологическую задачу и преодолеть одно из наиболее существенных ограничений, препятствовавших коммерциализации перовскитных солнечных ячеек. Увеличение площади рабочей поверхности фотоэлектрических элементов предоставляет возможность дальнейшего масштабирования технологии и позволяет расширить перспективы коммерциализации перовскитных модулей.
Работы проводились при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и компании «ЕвроСибЭнерго» (входит в Группу En+).