14.10.2017
Исследователи из отдела материаловедения МГУ им. М. В. Ломоносова объяснили, как изменение в соотношении компонентов, образующих светопоглощающий слой перовскитного солнечного элемента, влияет на структуру созданных пленок и эффективность солнечной батареи. Результаты данного исследования были опубликованы в Журнале физической химии C.
Органо-неорганические перовскиты представляют собой новый класс фотоактивных (т.е. реагирующих на свет) материалов. Они были названы в честь минерала, называемого перовскитом (CaTiO3, титанатом кальция) из-за сходства их структуры. Однако их собственные свойства представляют еще больший интерес для ученых. Из этих материалов могут быть произведены перовскитные солнечные батареи. Впервые они были созданы всего пять лет назад, но их эффективность уже превысила эффективность более распространенных и более дорогих кремниевых солнечных элементов.
В своем предыдущем исследовании ученые выяснили, что нитевидные (проволочные) гибриды перовскитов приобрели свою форму из-за структуры промежуточных соединений. Последние образуются в процессе кристаллизации перовскита. Исследователи обнаружили целую группу этих соединений, каждая из которых представляет собой кристаллический сольват. Кристаллические сольваты – это кристаллические соединения с молекулами растворителя компонентов-предшественников, встроенных в их структуру. Растворенные компоненты становятся осадком из раствора и образуют кристаллическую пленку перовскита.
Исследователи выбрали и описали три промежуточных соединения, которые являются кристаллическими сольватами одного из двух растворителей. Именно их чаще всего применяют, чтобы производить перовскитные солнечные элементы. Для двух из этих соединений их кристаллическая структура была установлена впервые.
«Мы выяснили, что образование промежуточных соединений является одним из ключевых факторов, определяющих функциональные свойства конечного слоя перовскита, поскольку кристаллы перовскита наследуют форму этих соединений. Это, в свою очередь, напрямую влияет на морфологию пленки и эффективность солнечных элементов. Что особенно важно при создании тонких пленок перовскита, поскольку игольчатая или нитевидная форма кристаллов приведет к прерывистой пленке, а это значительно снизит эффективность солнечного элемента.
Знание о влиянии соотношения прекурсорных реагентов на форму конечных кристаллов перовскита позволит ученым преднамеренно выбрать условия для получения оптимальных пленок, что приведет к высокой эффективности перовскитных клеток», - считает главный исследователь Алексей Тарасов, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики (факультет материаловедения МГУ им. М.В.Ломоносова).
Такие промежуточные соединения неустойчивы, поэтому авторы использовали синхротронное излучение и низкие температуры для охлаждения кристаллов до температуры -173 С. Замораживание кристаллов позволило ученым остановить их разложение и провести необходимые измерения, чтобы стать способными к определяют структуру сольватов.
Кроме того, исследователи изучили термическую стабильность полученных соединений и сумели вычислить энергию их образования с использованием квантово-химического моделирования. Знание энергии пласта позволяет объяснить, почему некоторые кристаллы образуются при использовании разных растворителей.
Авторы работы также узнали, что отношение реагентов в растворе конкретно определяет, какое промежуточное соединение образуется в процессе кристаллизации. Кристаллическая структура промежуточного соединения определяет форму сформированных кристаллов перовскита, которая, в свою очередь, определяет структуру светопоглощающего слоя. Эта структура непосредственно влияет на выход создаваемой солнечной батареи.