Сотрудники Лаборатории, специализирующиеся на разработке инновационных материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ предложили инновационный подход к стабилизации перовскитных солнечных элементов – использование хлорида 2-меркаптоэтиламмония (сокр. MEACl) в качестве адаптивного пассиватора дефектов. В отличие от обычных добавок, MEACl способен не только подавлять исходные дефекты в перовскитном материале, но и динамически реагировать на образование продуктов распада перовскита в процессе эксплуатации. Это позволяет существенно увеличить долговечность и устойчивость устройств.
Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в международном высокорейтинговом журнале Journal of Energy Chemistry.
Серьезной сложностью для перовскитных солнечных элементов является их недостаточная устойчивость к воздействию света, высокой температуры, кислорода и влаги, присутствующих в воздухе. Чтобы найти способы решения этой задачи, исследователи из лаборатории новых материалов для солнечной энергетики создали специальное оборудование для оценки долговечности солнечных элементов. Тестирование, проводимое в лаборатории, соответствует строгим международным нормам и позволяет получить достоверные данные о стабильности перовскитных солнечных элементов.
В представленной научной работе авторы продемонстрировали, что добавление небольших доз MEACl (0.1–0.5 мол.%) в перовскитную структуру существенно повышает её стабильность. При одновременном воздействии симулятора солнечного света, температуры 85°C и атмосферных условий, инкапсулированные солнечные элементы с MEACl показали стабильность в среднем в три раза большую, чем контрольные образцы. При температуре 65°C стабильность модифицированных солнечных элементов возрастает в среднем в четыре раза и достигает почти 2000 часов.
«Эти улучшения обусловлены не только устранением дефектов на ранних стадиях производства устройств, но и способностью MEACl адаптироваться и взаимодействовать с разными продуктами разложения перовскита . Такой эффект обусловлен возможностью обратимого окислительно-восстановительного изменения состояния между S–H и S–S в молекуле MEACl. Это позволяет пассиватору действовать как активный посредник, который реагирует на наличие в материале свободных атомов йода (I⁰/I₂), металлического свинца (Pb⁰) и кислорода. Экспериментальное подтверждение данного механизма было получено с помощью комплекса спектроскопических и электрофизических методов анализа материалов и устройств, что обеспечило глубокое понимание природы взаимодействия между MEACl и гибридным галогенидным перовскитом» , – отмечает автор работы и научный сотрудник лаборатории новых материалов для солнечной энергетики ФНМ МГУ Наталья Удалова.
Разработанная методика предоставляет возможность для создания долговечных перовскитных солнечных элементов и других оптоэлектронных приборов, основанных на гибридных перовскитах, которые обладают устойчивостью к продолжительному воздействию неблагоприятных условий эксплуатации. Исследования показывают, что применение динамических, «адаптивных» пассиваторов дефектов, например хлорида 2-меркаптоэтиламмония, может значительно увеличить срок службы перовскитных технологий.
«Результаты нашей работы демонстрируют, что даже незначительное добавление модификатора в структуру перовскита может значительно изменить его стабильность. Выявление процессов деградации и разработка методов их предотвращения позволяют создавать более долговечные солнечные элементы нового поколения. Кроме того, использование MEACl в роли модификатора перовскита обладает высоким потенциалом для улучшения стойкости наших устройств к воздействию радиации, что мы намерены изучить подробнее в ходе реализации проекта», – говорит руководитель лаборатории новых материалов для солнечной энергетики физического института МГУ Алексей Тарасов.
Работа выполнена при поддержке грантов РНФ № 22-73-00286 и № 25-63-00026.
Информация предоставлена пресс-службой МГУ