Сегодня я немного расскажу про очень хайповую тему в мировом материаловедении в последние несколько лет — перовскитные солнечные батареи. Они широко исследуются как источник экологически чистой электроэнергии.

Принцип работы солнечных батарей следующий: используется полупроводниковый материал. Такие материалы в своей электронной структуре имеют так называемую запрещенную зону — область энергий, которую электрон в нем иметь не может. Ниже по энергии находится валентная зона — в ней в нормальных условиях находятся электроны. Выше лежит незанятая зона проводимости. Если материал поглотит фотон с энергией, равной или большей ширине запрещенной зоны — один из электронов выкинет вверх в зону проводимости, оставив дырку (именно так ее и называют) в валентной зоне. При наличии в изделии материалов, проводящих отдельно электроны и отдельно дырки, электроны могут уйти во внешнюю цепь, запитав какую‑то нагрузку. Таким образом, световая энергия напрямую превращается в электрическую.

Перовскитными один из типов солнечных батарей называют, потому что в них рабочих материалом являются галогениды металлов со структурой типа перовскита. Причин хайпа вокруг них несколько. Это уже достигнутые высокие коэффициенты полезного действия — КПД (до 25% световой энергии превращается напрямую в электрическую). Ширину запрещенной зоны, соответствующую энергии поглощаемых частиц света, можно тонко подстраивать под конкретные условия. Еще у таких материалов высокие коэффициенты поглощения света (много фотонов поглощается при освещении) и низкое сопротивление. Дополнительно доставляет дешевизна создания самих батарей с помощью растворной химии. Как правило, в качестве растворителя используется диметилформамид. К сожалению, все это счастье упирается в масштабирование процессов получения под промышленные условия, а также в низкую стабильность материалов.

Для производства больших солнечных батарей необходимо получение высококачественных тонких пленок, однако процессы зародышеобразования и роста кристаллов перовскитов из раствора очень плохо поддаются контролю. Исследуется множество подходов для получения высококачественных пленок — добавление поверхностно‑активных веществ, обработка вакуумом, повышенной температурой, газовые потоки и так далее и тому подобное… Еще один метод выращивания качественных пленок, весьма эффективный, состоит в получении легко растущих тонких пленок из иодида свинца (может, кто‑то видел эксперимент с его осаждением — красивые желтые кристаллы), захватывающих из раствора реагенты для реакции образования перовскита, идущей при нагреве пленки.

Со стабильностью же следующая проблема: обычно исследуемое в качестве рабочего материала таких батарей соединение MAPbI3 — трииодид метиламмония‑свинца — нестабильно при нагревании и при облучении интенсивным солнечным светом за счет вызываемого температурой фазового перехода — при нагреве перестраивается кристаллическая решетка вещества, и кирдык его свойствам. Альтернативой являются системы на основе катиона формамидиния: FAPbI3 или (FACs)PbI3 с большей термостойкостью и потенциально большим КПД. На иллюстрации представлены формулы метиламмония и формамидиния, в описании даны химические формулы рабочих веществ. Добавка цезия дополнительно стабилизирует систему. К сожалению, рост пленок из таких соединений оказалось еще сложнее контролировать, чем для MAPbI3.

Возможная структура готового изделия — перовскитной солнечной батареи — послойно: допированный фтором диоксид олова (прозрачный проводник), диоксид олова, перовскит, спиро‑OMeTAD (проводящий слой для транспорта дырок), золото.

Главный вопрос, который лично меня интересует — это где во всей этой схеме экология, учитывая свинец в рабочем материале…

Автор: Иван Прихно

Оригинал