Исследовательская группа под руководством профессора Гэ Цзыи и профессора Лю Чана из Нинбоского института технологии и инженерии материалов Китайской академии наук добилась значительного прогресса в области полностью перовскитных тандемных солнечных элементов. Они разработали стратегию контроля кристаллизации, основанную на теории химической жёсткости, и достигли сертифицированной эффективности преобразования мощности 30,3% на жёстких устройствах и сертифицированной эффективности 28,0% на гибких устройствах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Полностью перовскитные тандемные солнечные элементы состоят из широкозонных и узкозонных субэлементов, что позволяет использовать солнечный спектр более эффективно, чем однопереходным устройствам. Однако многокомпонентные перовскитные плёнки в процессе формирования склонны к несоответствию скоростей зародышеобразования и кристаллизации, что приводит к неравномерному вертикальному распределению компонентов, увеличению количества дефектов и ограничивает повышение эффективности и стабильности устройств.
Для решения этой проблемы исследовательская группа, основываясь на теории жёстких и мягких кислот и оснований (HSAB), разработала анионные добавки с селективной координационной способностью. Было обнаружено, что ион дифтороксалатобората может эффективно регулировать поведение кристаллизации галогенидов в широкозонном перовските, а ион тетрафторбората подходит для узкозонной системы на основе олова-свинца. Эти две добавки способны селективно координироваться с прекурсорами, синхронизируя процессы зародышеобразования и роста кристаллов, подавляя неравномерное вертикальное распределение фаз и повышая однородность плёнки.
Структурный анализ и оптические характеристики показали, что эта стратегия способствует однородному зародышеобразованию и равномерному росту кристаллов, одновременно подавляя перераспределение галогенидов, которое обычно приводит к образованию дефектов и накоплению напряжений. После оптимизации эффективность широкозонного субэлемента увеличилась с 18,5% до 20,1%, а узкозонного — с 21,6% до 23,3%. В монолитной двухконтактной тандемной структуре пиковая эффективность жёсткого устройства достигла 30,3% при напряжении холостого хода 2,16 В и коэффициенте заполнения 85,2%.
Что касается эксплуатационной стабильности, оптимизированное жёсткое устройство сохранило 92% начальной эффективности после 1000 часов непрерывного отслеживания точки максимальной мощности. Эффективность гибкого тандемного устройства достигла 28,2% (сертифицирована как 28,0%) и сохранила 95,2% начальной эффективности после 10 000 циклов изгиба.
Это исследование раскрывает механизм несинхронной кристаллизации и неоднородности компонентов в многокомпонентных перовскитах, устанавливает общий химический принцип для контроля кристаллизации многокомпонентных перовскитных систем и предлагает технический путь для обеспечения как эффективности, так и долговечности жёстких и гибких устройств.