Китайская академия наук: берлинская лазурь повышает эффективность перовскитных солнечных элементов до 26,9%

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Китайской академии наук (CAS) использовала наночастицы берлинской лазури (Prussian Blue, PB) для стабилизации перовскитных плёнок формимидиния иодида свинца (FAPbI3), достигнув повышения эффективности как в обычных (n-i-p), так и в инвертированных (p-i-n) перовскитных солнечных элементах, одновременно улучшив стабильность устройств. Соответствующая статья «Prussian blue regulates ion dynamics in perovskite solar cells» опубликована в журнале Science.

Берлинская лазурь — это соединение на основе железа, известное своей сильной способностью поглощать видимый свет и электрохимическими свойствами. Ранее исследователи использовали её в качестве фотосенсибилизатора в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем, подтвердив, что она способна поглощать солнечный свет и генерировать фототок, однако фотовольтаические характеристики были ограниченными. В данном исследовании группа обратилась к изучению возможностей её применения в перовскитных солнечных элементах.

В ходе исследования наночастицы PB использовались в качестве структурного шаблона для контроля процесса кристаллизации FAPbI3, способствуя более равномерному росту кристаллов и одновременно подавляя нежелательные промежуточные фазы, что благоприятствует образованию фотоактивной α-фазы — кристаллической структуры, необходимой для эффективного поглощения света и генерации энергии. По словам исследователей, данный метод улучшил ориентацию кристаллов, снизил деформацию кристаллической решётки и ограничил потери на безызлучательную рекомбинацию.

Корреспондирующий автор Юй Чэнь отметил, что основное достижение данной работы заключается в использовании структурно совместимого каркаса берлинской лазури, который сохраняет свою функциональность как на этапе формирования плёнки, так и в процессе работы устройства: он направляет кристаллизацию перовскита, регулирует превращение аномальных форм свинца и иода, а также ограничивает перераспределение катионов A-позиции, тем самым поддерживая однородность электронных свойств под напряжением и обеспечивая высокоэффективные и стабильные крупноформатные модули.

В области контроля дефектов и миграции ионов наночастицы PB ограничивали образование дефектов и миграцию ионов внутри материала, помогая восстанавливать металлический свинец и нейтральные дефекты иода обратно в их исходное ионное состояние; их жёсткая кристаллическая структура захватывает подвижные ионы, особенно цезий, ограничивая их перемещение под действием электрического поля. В результате плотность дефектов снижается, перенос заряда улучшается, а потери энергии от безызлучательной рекомбинации подавляются.

Наночастицы также повысили энергию активации миграции ионов с 0,89 эВ до 1,25 эВ, затрудняя перемещение ионов. По мнению исследователей, вышеуказанные эффекты помогают перовскитным плёнкам противостоять деградации, вызванной электрическим полем, теплом и освещением.

В ходе испытаний устройств коэффициент преобразования энергии обычных элементов повысился с 24,2% до 26,1%; инвертированные элементы — с 26,0% у необработанных устройств до 26,9%, при этом данный результат был независимо сертифицирован на уровне 26,2%. Исследовательская группа связывает улучшения с более эффективным разделением и извлечением заряда, снижением безызлучательной рекомбинации и подавлением миграции ионов.

После масштабирования до устройств большего размера эффективность обычного мини-модуля размером 6 см × 6 см достигла 23,4% по сравнению с 20,1% у эталонного устройства; инвертированный субмодуль размером 30 см × 30 см с апертурной площадью 756 см² показал сертифицированную эффективность 22,9% и стабильную эффективность 22,8%.

Испытания на стабильность также дали положительные результаты. Обычный мини-модуль после 2 500 часов при 85 °C и относительной влажности 85% сохранил более 90% начальной эффективности; после 2 200 часов непрерывной работы при 65 °C и относительной влажности 50% — более 80%.

Ускоренные испытания на старение инвертированного субмодуля большего размера показали, что при непрерывном освещении и температуре 35 °C прогнозируемый срок службы T80 составляет около семи лет. T80 — это время, за которое солнечный элемент или модуль теряет 20% начальной эффективности при определённых рабочих условиях. Исследователи отмечают, что прогнозируемый срок службы получен путём экстраполяции данных ускоренных испытаний на старение и не подтверждён фактической долгосрочной эксплуатацией.

В ходе пятимесячных натурных испытаний в Чжухае, Китай, субмодуль, обработанный PB, не продемонстрировал «заметной» деградации производительности по сравнению с коммерческим кремниевым эталонным устройством.

Юй Чэнь заявил, что вышеуказанные результаты подчёркивают потенциал материалов с открытым каркасом в повышении эффективности солнечных элементов, обеспечении масштабируемого производства и повышении долгосрочной надёжности перовскитной фотовольтаики.