08.12.2017
Группа исследователей, возглавляемая Калифорнийским университетом Сан-Диего, впервые обнаружила изменения в наномасштабах, глубоко внутри гибридных кристаллов перовскита, которые могли бы помочь в разработке недорогих и одновременно высокоэффективных солнечных элементов.
Используя рентгеновские лучи и лазеры, исследователи изучили, как новые перспективные материалы, гибридные перовскиты, ведут себя на наномасштабном уровне в процессе своей работы. Проведенные эксперименты показали, что под напряжением ионы мигрируют внутри материала, создавая участки, которые малоэффективны при преобразовании света в электричество.
«Перенос ионов сильно влияет на производительность светопоглощающего материала, и это может стать ключом, который поможет сделать солнечные элементы более эффективными», - сказал Дэвид Феннинг, профессор наноинженерии и член Центра устойчивой энергетики в Сан-Диего.
В команду, возглавляемую Фенингом, входят исследователи из Института AMOLF в Нидерландах и Аргоннской национальной лаборатории. Свои результаты ученые опубликовали в Advanced Materials.
Гибридные перовскиты представляют собой кристаллические материалы, изготовленные из смеси неорганических и органических ионов. Перовскиты - перспективные материалы для создания солнечных элементов нового поколения. Они дешевы в производстве и максимально эффективны при преобразовании света в электричество.
Однако гибридные перовскиты не очень стабильны, и это затрудняет их изучение. Микроскопические методы, обычно используемые для изучения солнечных элементов, часто приводят к повреждению гибридных перовскитов или не дают достоверного изображения их поверхности.
Теперь команда специалистов Университета Сан-Диего подтвердила, что, используя технологию, называемую рентгеновской флуоресценцией нанопровода, они могут проникать в гибридные материалы перовскита достаточно глубоко, не разрушая их. «Это – новая возможность, которая поможет нам изучить этот материал и точно понять, что именно идет не так», - сказал Феннинг.
Исследователи изучили тип гибридного перовскита, называемый метилмаммонийбромидом. Он содержит отрицательно заряженные ионы брома. Как и другие гибридные перовскиты, его кристаллическая структура содержит много пустот или отсутствующих атомов, которые, как было установлено, позволяют легко перемещать ионы в материале, под напряжением.
Сначала исследователи провели на кристаллах рентгеновские флуоресценции нанометровых рентгеновских лучей, чтобы создать карту с высоким разрешением атомов внутри материала. Полученные карты показали, что под напряжением ионы брома мигрируют из отрицательно заряженных областей в положительно заряженные.
Затем исследователи освещали лазер на кристаллах для измерения фотолюминесценции - способности материала излучать свет при возбуждении лазером - в разных участках кристаллов.
Солнечные батареи из эффективного материала излучают свет очень хорошо, поэтому чем выше фотолюминесценция, тем эффективнее солнечные элементы. Участки с более высокими концентрациями брома давали 180% фотолюминесценции, по сравнению с участками, обедненными ионами брома.
«Мы наблюдаем, как ионы брома мигрируют в течение нескольких минут и видим, что богатые бромом участки могут стать лучшими солнечными элементами. При этом производительность ухудшается на участках с низким содержанием брома», - сказал Феннинг.
Дэвид Фенинг и его команда теперь изучают способы ограничения миграции брома в бромиде свинца метиламмония и других гибридных перовскитах. Исследователи говорят, что одним из потенциальных вариантов будет рост гибридных кристаллов перовскита в разных условиях. Это поможет минимизировать количество пустот и ограничить миграцию ионов в кристаллической структуре.