Команда ученых, возглавляемая исследователями Калифорнийского университета в Сан-Диего, разработала новый способ сделать перовскитные солнечные элементы — многообещающую солнечную технологию следующего поколения — более эффективными и долговечными. Создав временную жидкость на время кристаллизации материала, исследователи смогли вырастить кристаллы перовскита большего размера, более однородные и с меньшим количеством дефектов.

Солнечные элементы, из которых состоят большие солнечные панели, и светодиоды, изготовленные с использованием этих перовскитов, имеют КПД от 24% до 26%, что является высоким показателем для устройств на основе перовскитов. Солнечные элементы также сохранили большую часть своей первоначальной эффективности после восьми недель непрерывной работы в условиях имитации солнечного света

Перовскиты — это класс материалов, которые потенциально могут стать основой для недорогих и высокоэффективных солнечных батарей. В отличие от традиционных кремниевых солнечных батарей, перовскиты можно получать из растворов и наносить в виде тонких пленок, что также может упростить производство и снизить энергозатраты.

Однако создание высококачественной перовскитной солнечной батареи — непростая задача. Перовскитные пленки обычно состоят из множества крошечных кристаллов, плотно прилегающих друг к другу. Границы раздела между этими кристаллами, так называемые границы зерен, могут содержать дефекты, из-за которых теряется часть энергии, получаемой от солнечного света. Эти дефекты могут стать еще более серьезной проблемой при попытке создать солнечные панели большего размера, поскольку эффективность падает по мере увеличения устройства.

Команда исследователей  разработала способ выращивания перовскитов с меньшим количеством таких дефектов.  Их исследование было сосредоточено на материале, известном как галогенид перовскита. Они добавили две дополнительные соли — бромид цинка и хлорид метиламмония — в раствор, из которого был получен перовскит. При нагревании материала эти две добавки образовали легкоплавкую смесь, называемую эвтектикой.

Эвтектика служила временной жидкостью на границах между растущими кристаллами, что давало кристаллам пространство для перегруппировки и формирования более упорядоченной структуры. По мере непрерывного нагрева материала один из компонентов добавки, метиламмонийхлорид, испарялся. Цинк оставался сконцентрированным на границах кристаллов, где он помогал нейтрализовать электронные дефекты.

Исследователи использовали передовые методы рентгеновской визуализации, чтобы наблюдать за этим процессом в мельчайших деталях. Они непосредственно зафиксировали доказательства того, что материал вокруг границ кристаллов при нагревании становится неупорядоченным и приобретает свойства жидкости, а затем снова упорядочивается при той же температуре, когда лишняя соль испаряется и рост кристаллов завершается. Они также обнаружили, что в результате такой обработки образуются более крупные и упорядоченные кристаллы с меньшим количеством структурных дефектов и более равномерным распределением химических свойств материала. Исследователи надеются обобщить этот любопытный механизм роста из твердого состояния в жидкое и обратно, поскольку все процессы происходят при одной и той же температуре.

Эти улучшения привели к повышению эффективности устройств.

В солнечном элементе энергия солнечного света возбуждает электроны, оставляя в материале «дырки». По словам Долана, ключевым показателем эффективности перовскита является время существования электронно-дырочных пар до их рекомбинации. «Перовскиты, полученные с помощью добавок, образующих эвтектику, имеют самое длительное время существования электронно-дырочных пар среди всех полупроводников с прямой запрещенной зоной, что говорит о перспективности этого подхода», — считают исследователи.

Исследователи также обнаружили, что этот подход работает с перовскитами разных химических составов.