Ученые из МГУ предложили способ масштабирования солнечных батарей

Сотрудники факультета наук о материалах МГУ совместно с коллегами из японского Института передовых прикладных разработок (AIST) предложили уникальный метод получения перовскитных солнечных элементов неограниченной площади с использованием реакционных расплавов полииодидов и создали солнечные элементы с КПД > 17%. Результаты работы были опубликованы в одном из самых престижных мировых журналов в области нанотехнологий Nature Nanotechnology.

«Перовскитные солнечные элементы — самая быстро развивающаяся область фотовольтаики. Всего за несколько лет с момента создания первого такого элемента в 2009 году был продемонстрирован беспрецедентный рост рекордных значений КПД, который в настоящее время составляет более 23%, что превышает рекордные значения для поликристаллических кремниевых солнечных элементов. Одной из основных проблем, препятствующих внедрению перовскитных солнечных элементов, оставалось получение тонкого равномерного светопоглощающего слоя гибридного перовскита на большой площади. Теперь эту проблему удалось решить благодаря серии открытий, сделанных в нашей лаборатории», — рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ и старший научный сотрудник химического факультета МГУ.

Реакционные расплавы полииодидов (РРП) — это новый уникальный класс веществ, открытый в МГУ в 2016 году сотрудниками лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах.

Уникальной особенностью РРП является одновременное сочетание жидкого агрегатного состояния при комнатной температуре и высокой реакционной способности по отношению к ряду веществ. В частности, реагируя с металлическим свинцом, РРП напрямую образует гибридные перовскиты без побочных продуктов реакции и необходимости использования растворителей. На первый взгляд, высокая реакционная способность — несомненное достоинство реакционных расплавов полииодидов, однако слишком быстрое протекание реакции создавало определённые технологические сложности при их нанесении в виде равномерного тонкого слоя поверх напылённых плёнок металлического свинца на большой площади.

«Международное сотрудничество с коллегами из Японии — Иваном Туркевичем и Саидом Казои — началось со знакомства в Лозанне на международной конференции International Conference on Hybrid and Organic Photovoltaics, куда меня пригласили выступить с докладом об открытии и применении реакционных полииодидов. Мы обменялись мнениями и идеями о потенциале этого нового класса соединений для развития перовскитной фотовольтаики и начали совместную работу», — рассказал Алексей Тарасов.

В описанном в данной статье новом методе получения тонких пленок перовскита расплав полииодидов образуется in-situ непосредственно на поверхности металлического свинца. Для этого методом термического вакуумного напыления формируется двухслойная структура, состоящая из тонких плёнок металлического свинца и органической соли (например, иодида метиламмония). Компоненты двухслойной структуры сами по себе не реагируют между собой, что позволяет в процессе её формирования методом вакуумного термического напыления с высокой точностью контролировать толщину наносимых слоёв и задавать необходимое соотношение между компонентами реакции. Затем сформированная двухслойная структура подвергается обработке парами йода. При контакте паров йода с верхним слоем плёнки — органической солью — быстро образуется реакционный расплав полииодида, который тут же реагирует с нижним слоем — металлическим свинцом. В результате образуется однородная плёнка светопоглощающего слоя, толщина которой задаётся количеством нанесённого в начале процесса свинца. Необходимо отметить, что получение равномерных тонких плёнок металлического свинца, в отличие от тонких плёнок гибридных перовскитов — давно и хорошо решённая технологическая задача. Кроме того, поскольку йод — хорошо летучее соединение, небольшой нагрев всего до 40°С позволяет достигать необходимой концентрации паров йода и синтезировать тонкие плёнки светопоглощающего материала почти при комнатной температуре за считанные минуты.

Таким образом, ученым удалось решить важную технологическую задачу и преодолеть одно из наиболее существенных ограничений, препятствовавших коммерциализации перовскитных солнечных ячеек. Увеличение площади рабочей поверхности фотоэлектрических элементов предоставляет возможность дальнейшего масштабирования технологии и позволяет расширить перспективы коммерциализации перовскитных модулей.

Работы проводились при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и компании «ЕвроСибЭнерго» (входит в Группу En+).