Российские ученые нашли идеальный размер проводящего слоя в солнечных батареях

Ученые из НИТУ «МИСиС» и Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН вместе с коллегами из Италии предложили новый способ нанесения проводящего слоя в перовскитных солнечных элементах, а также оптимизировали его толщину. Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry C.

Солнечные элементы на основе перовскита СH3NH3PbI3 — «восходящая звезда» в мире солнечной энергетики. Всего за пять лет их эффективность поднялась с 3 до почти 23 процентов и скорее всего будет повышаться дальше. Сейчас ученые всего мира продолжают работать над оптимизацией их работы и повышением стабильности.

Российские и итальянские химики оптимизировали получение h-транспортного слоя для перовскитных солнечных элементов. Этот слой предназначен для экстракции «дырок» (holes) — положительных носителей заряда из активного перовскитного слоя и переправки их к отрицательно заряженному электроду (одновременно с этим электроны движутся по своему e-транспортному слою к противоположному электроду).

Одним из лучших материалов для h-транспортного слоя считается оксид никеля NiO, который обычно наносят разложением комплексных солей при температуре 350–750 градусов Цельсия. Авторам впервые удалось получить слой NiO при более низкой температуре — 280 градусов Цельсия — из трис (этилендиамин) ацетата никеля. Это не только снижает стоимость солнечных элементов, но и хорошо влияет на стабильность других их частей, которым не приходится переживать нагрев до высоких температур.

Вновь полученные ячейки показывали эффективность в 15–17 процентов. Как отмечалось выше, максимальная эффективность перовскитных солнечных элементов приближается к 23 процентам, однако ее удалось достичь лишь на элементах со сложным составом активного слоя. В своем же исследовании россияне сосредоточились на оптимизации работы h-транспортного слоя, а активный слой использовали «стандартный», поэтому такой результат выглядит очень достойно.

Также авторы статьи синтезировали элементы со слоями NiO разной толщины (10, 18 и 27 нм) и сравнили тушение люминесценции перовскита в них. Люминесценция — это возвращение материала из возбужденного состояние в исходное, при котором электрон и дырка рекомбинируют с испусканием фотона (света с определенной длиной волны). В солнечном элементе, однако, этот красивый процесс нежелателен: терять электроны и дырки на испускание света невыгодно. Если оба слоя — электронный и «дырочный» — работают хорошо, все носители заряда эффективно извлекаются из активного слоя, рекомбинации не происходит и люминесценция гасится.

Выяснилось, что с «тушением» лучше всего справились самые тонкие слои NiO (10 нм). Самыми лучшими — и по значению полученных токов, и по общей эффективности — тоже оказались ячейки с тонким слоем NiO. В более толстых слоях (18 и 27 нм) увеличивающееся сопротивление мешало успешной экстракции дырок и снижало финальную эффективность устройства.