Исследовательская группа из Школы инженерии Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) продемонстрировала наличие поверхностных вогнутостей на отдельных кристаллических зернах, которые являются основными строительными блоками тонких перовскитных пленок, а также выявила их существенное влияние на свойства и надежность пленок.

Основываясь на этом фундаментальном научном открытии, команда разработала новый способ повышения эффективности и стабильности перовскитных солнечных элементов посредством химического устранения вогнутостей на поверхности зерен.

Перовскитные солнечные элементы — это передовая технология солнечных элементов, которая продемонстрировала потенциал для замены существующих кремниевых солнечных элементов в широком спектре областей применения, таких как сетевое электроснабжение, портативные источники питания и космическая фотоэлектрика.

Они не только достигают более высокой эффективности преобразования энергии (КПЭ), чем коммерческие кремниевые элементы, но и обладают преимуществами с точки зрения низких затрат на материалы, устойчивого производства и высокой универсальности в плане прозрачности и цветов.

Однако долгосрочная стабильность перовскитных устройств в условиях света, влажности и термомеханических воздействий остается препятствием для коммерциализации этой многообещающей солнечной технологии.

Чтобы решить эту проблему, профессор Чжоу Юаньюань, доцент кафедры химической и биологической инженерии в HKUST, и его исследовательская группа провели исследование с уникальной точки зрения микроструктуры материалов. Они обнаружили распространение поверхностных вогнутостей на кристаллических зернах материала перовскита.

Показано, что эти вогнутости нарушают структурную непрерывность на границе раздела перовскитной пленки, выступая в качестве скрытого микроструктурного фактора, ограничивающего эффективность и стабильность перовскитных ячеек.

Затем группа предприняла инновационный шаг по удалению вогнутостей на поверхности зерен, используя молекулу поверхностно-активного вещества, тридекафторгексан-1-сульфоновую кислоту калия, для управления развитием деформации и диффузией ионов во время формирования пленок перовскита.

Соответственно, их окончательные перовскитные ячейки продемонстрировали очевидные улучшения в сохранении эффективности при стандартизированных термоциклических испытаниях, испытаниях на влажное тепло и отслеживании точки максимальной мощности.

Статья под названием «Устранение вогнутостей поверхности зерен для улучшения тонкопленочных интерфейсов перовскита» теперь опубликована в Nature Energy . Работа была совместным усилием Гонконгского баптистского университета и Йельского университета.

«Структура и геометрия отдельных кристаллических зерен являются источником производительности перовскитных полупроводников и солнечных элементов. Раскрывая вогнутости поверхности зерен, понимая их влияние и используя химическую инженерию для адаптации их геометрии, мы являемся пионерами нового способа создания перовскитных солнечных элементов с эффективностью и стабильностью на пределе своих возможностей», — сказал профессор Чжоу, соавтор этой работы.

«Мы были очень заинтригованы поверхностными вогнутостями зерен перовскита, когда использовали атомно-силовую микроскопию для изучения структурных деталей пленок перовскита. Эти вогнутости обычно скрыты под нижней частью пленки и их легко не заметить», — добавил он.

«Микроструктура имеет жизненно важное значение для перовскитных солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств и может быть более сложной, чем у обычных материалов, из-за гибридных органо-неорганических характеристик перовскитных материалов.

«Под руководством профессора Чжоу мы способны разрабатывать различные новые подходы к характеристике и анализу данных, чтобы получить представление о микроструктуре перовскита», — сказал Чжан Ялань, аспирант исследовательской группы профессора Чжоу и соавтор этой работы.