Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ создали теоретическую модель, позволяющую предсказывать термодинамические и структурные свойства гибридных перовскитов различного состава. Результаты работы опубликованы в журнале в журнале Journal of Physical Chemistry C.
Ранее мы уже рассказывали о том, как учёные МГУ предложили способ повысить эффективность перовскитных солнечных батарей, а также разработали новый подход к созданию перовскитных солнечных батарей потенциально неограниченной площади и создали солнечные батареи с КПД (коэффициент полезного действия) > 17%, опубликовав результаты работы в журнале Nature Nanotechnology. В последней опубликованной работе сотрудники лаборатории задались фундаментальным вопросом термодинамической стабильности гибридных перовскитов смешанного состава.
Гибридные галогенидные перовскиты — новый класс полупроводниковых материалов, кристаллическая структура которых сочетает неорганический каркас и органические катионы. Благодаря уникальному сочетанию оптических и электронных свойств, такие материалы могут служить основой светоизлучающих устройств, сенсоров, а также солнечных батарей нового поколения – так называемых перовскитных солнечных батарей. Рекордный КПД таких солнечных элементов сегодня составляет более 25%, превышая рекордные значения для наиболее распространенных солнечных элементов на основе поликристаллического кремния.
Важной особенностью гибридных галогенидных перовскитов (например, CH3NH3PbX3) является возможность замещения атомов одних галогенов в структуре на другие (X = I, Br, Cl). Благодаря этому можно получать перовскиты с различной шириной запрещённой зоны, например, задавая таким образом цвет материала. Получаемые в результате материалы смешанного анионного состава представляют собой разупорядоченные твёрдые растворы – кристаллы, в которых атомы различных элементов могут распределяться случайным или почти случайным образом по определенным позициям в кристаллических подрешетках (подобно тому, как в жидких растворах растворённые вещества случайно распределяются по всему объёму).
В ходе исследований учёные предсказали, что твёрдые растворы состава CH3NH3Pb(IxBr1-x)3 является стабильным во всем диапазоне составов только при повышенных температурах (начиная с 120 ˚C), в то время как при более низких температурах наблюдается значительная область несмешиваемости.
«В нашей работе мы разработали теоретическую модель, впервые точно описывающую стабильность гибридных перовскитов смешанного состава. Разработанная модель показала, что при определённых соотношения йода и брома кристаллы должны быть нестабильны и разделяться на два вида: с повышенным содержанием йода и с повышенным содержанием брома.
Мы вырастили монокристаллы перовскитов с разным содержанием йода и брома и впервые экспериментально показали, что выращенные при повышенной температуре и изначально гомогенные по составу кристаллы при охлаждении разделяются на две фазы, одна из которых обогащена йодом, а другая бромом. Таким образом, мы подтвердили, что разработанная нами модель правильно предсказывает поведение смешанногалогенидных гибридных перовскитов» — 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.
Проведенное теоретическое исследование и его экспериментальная проверка являются ключом к пониманию фундаментальных свойств гибридных перовскитов и дают толчок к рациональному исследованию этого класса материалов и выявлению стабильных смешанных составов. Варьируя соотношение различных элементов в таких перовскитах, можно получать разноцветные полупрозрачные декоративные панели для остекления зданий, способные вырабатывать электричество. Другая перспективная область применения стабильных перовскитов смешанного состава – тандемные солнечные батареи, состоящие из двух солнечных элементов, расположенных один над другим, но поглощающих разные части спектра солнечного излучения.
Исследование выполнено при поддержке РФФИ и Правительства Москвы
По материалам Пресс-службы МГУ