Команда академика Чжэн Наньфэна и профессора У Бинхуэя из Сямэньского университета добилась важного прогресса в исследовании перовскитных солнечных элементов. Они предложили использовать каркас прусской лазури для согласованного регулирования формирования материала перовскита, эволюции дефектов, а также миграции и распределения ионов в процессе работы устройства, что открывает новое решение для повышения стабильности перовскитной фотовольтаики. 25 сентября соответствующие результаты исследований, выполненные совместно с Цзинаньским университетом, Университетом Цинхуа и другими партнёрскими организациями, были опубликованы в международном научном журнале Science.
Прусская лазурь считается первым современным синтетическим пигментом в истории человечества и широко применяется в живописи, печати и цианотипии. В то же время её особые структурные и химические свойства, такие как открытая каркасная структура и центры со смешанной валентностью, демонстрируют потенциал применения в области хранения ионов, ионного транспорта и окислительно-восстановительных процессов.
Прусская лазурь направляет процесс кристаллизации перовскита. Официальный сайт Сямэньского университета
В данном исследовании учёные ввели наночастицы прусской лазури в светопоглощающий слой перовскита и, используя её близкие к перовскиту характеристики кристаллической решётки, обратимую окислительно-восстановительную активность и открытую каркасную структуру, задействовали её одновременно в регулировании двух этапов: формирования материала и работы устройства. Исследование показало, что после введения прусской лазури процессы нуклеации, превращения промежуточной фазы и роста кристаллов перовскита эффективно регулируются, в результате чего формируется плёнка с более выраженной преимущественной ориентацией и меньшей локальной деформацией; под действием внешнего электрического поля подавляются дальнодействующая миграция и перераспределение ионов, а также значительно уменьшается изменение локального потенциала, индуцированное электрическим полем.
Для проверки применимости данной материаловедческой стратегии в различных структурах устройств и при масштабировании площади исследовательская команда провела верификацию на перовскитных солнечных элементах прямой и инвертированной конфигурации. После введения прусской лазури коэффициент фотоэлектрического преобразования обоих типов малогабаритных устройств превысил 26%; в процессе масштабирования площади модуль прямой конфигурации размером 6 см × 6 см достиг эффективности 23,4%; модуль инвертированной конфигурации размером 30 см × 30 см достиг эффективности 22,9%.
Данное исследование рассматривает формирование перовскитной плёнки и работу устройства как взаимосвязанный непрерывный процесс и использует химические свойства прусской лазури для согласованного регулирования роста кристаллов, превращения дефектов и миграции ионов, что предоставляет новые идеи для разработки материалов с открытой каркасной структурой, сочетающих функции структурного направляющего, окислительно-восстановительного буфера и регулирования ионов.