Новый метод получения пленок для солнечных элементов на перовските

Сотрудники факультета наук о материалах МГУ имени М. В. Ломоносова объяснили ключевые механизмы взаимодействия гибридных перовскитов с растворителями. На основе полученных результатов ученые предложили новые подходы к получению перовскитного светопоглощающего слоя тонкопленочных солнечных элементов из слабокоординирующих апротонных растворителей, сообщает пресс-служба МГУ. Исследование проходило в сотрудничестве с исследователями Курчатовского центра синхротронного излучения. Результаты работы опубликованы в журнале Chemistry of Materials.

На сегодняшний день тонкопленочные солнечные элементы на основе гибридных перовскитов уже достигли КПД 23,2%, превзойдя традиционные солнечные батареи на основе кремния. При этом светопоглощающий слой перовскита в таких устройствах может быть получен более простыми и дешевыми растворными методами, и они могут составить конкуренцию кремниевым аналогам уже в ближайшем будущем. В новом исследовании, выполненном в лаборатории новых материалов для солнечной энергетики под руководством Алексея Тарасова, молодые ученые изучали процессы кристаллизации перовскита из обладающего необычными свойствами растворителя — гамма-бутиролактона (ГБЛ).

«Разрабатывая новые инновационные безрастворные методы получения солнечных элементов в нашей лаборатории, мы уделяем большое внимание фундаментальным аспектам химии перовскитов. Это традиционная особенность материаловедческой школы МГУ, отличающая нас от большинства мировых групп», — рассказывает Алексей Тарасов.

Для нанесения тонких пленок перовскита из растворов обычно используются два растворителя: диметилсульфоксид и диметилформамид. Однако более ранние работы ученых МГУ показали, что кристаллизация из них протекает через образование промежуточных соединений — кристаллосольватов, которые могут ухудшать морфологию и функциональные свойства перовскитного слоя.

В качестве растворителя для перовскита был известен также ГБЛ, проявляющий так называемую ретроградную растворимость (при повышении температуры растворимость перовскита в нем понижается). Эту особенность исследователи широко применяли для получения монокристаллов, а попытки получить тонкую пленку заканчивались формированием отдельных кристаллитов на подложке. Долгое время причины такого необычного поведения растворов перовскитов в ГБЛ были неизвестны. Считалось, что взаимодействие перовскит—ГБЛ настолько слабое, что он даже не образует с ним сольватов. Однако ученые обнаружили, что существует как минимум три вида кристаллосольватов перовскита с ГБЛ, а некоторые из них имеют уникальную кластерную структуру. Стало ясно, что равновесия в растворах перовскита в ГБЛ значительно сложнее, чем представлялось ранее.

«Мы установили, что при комнатной температуре перовскит растворяется с образованием таких кластеров, а при нагреве они распадаются до малоразмерных комплексов. Это приводит к пересыщению и выпадению перовскита из раствора в виде монокристаллов. Мы показали, что именно выпадение кластерного аддукта вместо перовскита препятствовало получению тонких пленок из этого растворителя, и на основе понимания процессов, протекающих при растворении перовскита в ГБЛ, мы предложили подходы, направляющие кристаллизацию перовскита в обход образования кластеров, что впервые позволило получить из него качественные пленки. Это отличный пример практического применения фундаментальных химических знаний для решения прикладных материаловедческих задач — именно того, что во всем мире принято называть фундаментальным материаловедением», — рассказал Алексей Тарасов.

Перовскит, или титанат кальция, впервые найден в виде минерала немецким геологом Густавом Розе в Уральских горах еще в 1839 году и назван в честь графа Льва Алексеевича Перовского, славного государственного деятеля и коллекционера минералов, героя Отечественной войны 1812 года.

Как вещество титанат кальция до недавнего времени широко использовался лишь в качестве диэлектрика многослойных керамических конденсаторов. И вот теперь его пробуют применить для построения высокоэффективных солнечных батарей, поскольку выяснилось, что этот материал прекрасно абсорбирует свет.

Обычные, ставшие давно традиционными, кремниевые солнечные батареи при толщине 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего один микрон. Перовскит, как и кремний, является полупроводником, и примерно так же эффективно передает электрический заряд под действием света, однако спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Структура кристаллического вещества титаната кальция идентична структуре минерала перовскита, потому и название у них одно и то же. И именно это вещество находится сегодня на одном из лидирующих мест в рейтинге путей оптимизации для солнечной энергетики.

Все дело в том, что солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 75 центов за киловатт, а солнечные батареи на основе перовскита снизят их стоимость до 10–15 центов. То есть перовскитная технология в пять–семь раз дешевле кремниевой как при производстве батарей, так и при их эксплуатации, а количество производимой электроэнергии такое же.

И это при том, что аналитики энергетической отрасли утверждают, что уже при стоимости 50 центов за киловатт солнечная энергия становится конкурентоспособной по отношению к ископаемому топливу. То есть переход на перовскит в глобальном масштабе снизит стоимость производства электроэнергии во много раз, при этом процесс производства самих панелей будет очень простым.

По мнению швейцарского химика МихаэляГретцеля, КПД 25% приведет к революции в солнечной энергетике. Эксклюзивное интервью  с профессором Гретцелем читайте в «Стимуле».