Команда из Хэбэйского технологического университета и других китайских учреждений достигла эффективности перовскитных солнечных элементов в 27,39% с помощью новой молекулярной стратегии

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа из Хэбэйского технологического университета, Университета Цзясин Наньху (Jiaxing Nanhu University) и Тяньцзиньского университета предложила стратегию молекулярного дизайна на основе пространственно-управляемой двухсайтовой хелации (SGDC) для перовскитных солнечных элементов. Эта стратегия, за счёт уменьшения дефектов в перовскитных плёнках, позволила повысить эффективность лабораторных элементов до 27,39% и достичь эффективности преобразования мощности более 22% на двусторонних мини-модулях площадью более 150 квадратных сантиметров.

В процессе быстрой кристаллизации перовскитных плёнок на поверхности, границах зёрен и скрытом нижнем интерфейсе остаются мелкие дефекты. Как отмечает первый автор исследования Конг Чен, молекулярные добавки хотя и могут смягчить эти несовершенства, но их дизайн должен соблюдать баланс: сильное взаимодействие способствует пассивации дефектов, однако чрезмерное молекулярное уплотнение или образование изолирующего интерфейсного слоя, в свою очередь, препятствует переносу заряда. Таким образом, инженерия добавок предлагает практический путь одновременной пассивации электронных дефектов и регулирования кристаллизации; идеальная добавка должна обладать сильным связыванием с дефектами, не блокировать перенос заряда и, желательно, обеспечивать дополнительную защиту устройства от воздействия окружающей среды.

Предложенная группой молекулярная конструкция SGDC состоит из жёсткого трёхмерного адамантанового каркаса с двумя карбоксиметильными координирующими плечами, что обеспечивает сильную хелацию с недостаточно координированными ионами свинца (Pb²⁺) и пространственно регулирует локальную молекулярную упаковку. Используемая исследователями адамантансодержащая молекулярная добавка называется ADA-DA: её две карбоксиметильные группы одновременно координируются с недостаточно координированными Pb²⁺, а жёсткое трёхмерное адамантановое ядро служит для контроля молекулярной упаковки и предотвращения чрезмерной интерфейсной скученности. Как поясняет Чен, такая комбинация обеспечивает пространственно-управляемую двухсайтовую хелацию, которая позволяет эффективно пассивировать дефекты, не препятствуя переносу заряда; экспериментальные измерения подтвердили, что ADA-DA демонстрирует сильное взаимодействие как с ионами свинца, так и с ионами йода.

Перовскитные плёнки, полученные с использованием этой стратегии, обладают более крупными зёрнами, меньшим количеством границ зёрен и более плотной и гладкой морфологией. Молекулы ADA-DA распределены по всему перовскитному слою и преимущественно сосредоточены на поверхности и границах зёрен — в областях, наиболее нуждающихся в пассивации. Электрические измерения показали значительное снижение плотности ловушек как для электронов, так и для дырок.

Изготовленные исследовательской группой устройства имеют инвертированную p-i-n структуру, состоящую из подложки ITO, дырочного транспортного слоя из оксида никеля (NiOₓ) и самоорганизующегося монослоя, перовскитного светопоглощающего слоя, электронного транспортного слоя из фуллерена (C60), буферного слоя из батокупроина (BCP) и серебряного электрода; перовскитная плёнка с добавкой ADA-DA осаждалась методом вакуумно-флэшовой кристаллизации. При стандартных условиях освещения эффективность преобразования мощности устройства достигла 27,39%, тогда как у эталонного элемента без использования этой стратегии — 26,24%. Исследовательская группа сообщает, что этот результат был сертифицирован независимой третьей стороной, название которой не раскрывается.

При масштабировании группа расширила элементы с модификацией ADA-DA до двусторонних мини-модулей, используя с обеих сторон прозрачные электроды из ITO или оксида индия-цинка (IZO). Модуль из 13 элементов площадью 163,93 квадратных сантиметра при освещении со стороны стекла/ITO достиг пиковой эффективности преобразования мощности 22,21%; модуль из 12 элементов площадью 151,32 квадратных сантиметра при освещении со стороны IZO достиг пиковой эффективности 22,33%. Как отмечает Чен, двусторонняя структура сочетает высокую эффективность с прозрачностью и способностью к двустороннему восприятию света, что делает её пригодной для строительной интегрированной фотовольтаики (BIPV).

В ходе испытаний на стабильность модуль ADA-DA площадью 151,32 квадратных сантиметра работал более 5000 часов под непрерывным освещением белыми светодиодами, при этом выходная мощность снизилась с 1028,5 милливатт до 1024,1 милливатт, сохранившись на уровне 99,6% от первоначального значения. Результаты опубликованы в журнале Joule под названием «Steric-gated dual-site chelation enables 27.3% efficient perovskite solar cells and ultra-stable 22% bifacial modules».