Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ предложили эффективный и доступный метод герметизации (инкапсуляции) перовскитных солнечных элементов. Метод применим для любых типов перовскитных солнечных элементов и позволяет стабилизировать КПД устройства при длительной непрерывной эксплуатации на воздухе при комнатной температуре. Результаты опубликованы в престижном международном журнале Journal of Energy Chemistry.
Перовскитные солнечные элементы – одно из самых динамично развивающихся направлений современного материаловедения. Доступность дешёвых методов производства таких материалов вместе с высоким КПД позволяет надеяться на снижение стоимости «солнечной» электроэнергии при дальнейшем развитии данной технологии. Это особенно актуально на фоне общемировой тенденции к увеличению доли возобновляемых источников энергии в структуре энергопотребления и к внедрению распределённой электрогенерации. Однако простота производства основного материала для перовскитных солнечных элементов – гибридных галогенидов свинца – имеет и обратную сторону: «незащищённый» материал сравнительно просто разлагается даже под действием воздуха и света, и добиться достаточной стабильности его характеристик оказалось непростой исследовательской задачей.
Заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ Алексей Тарасов поясняет проблему: «Многие материалы в составе современных солнечных батарей чувствительны к кислороду и воде, и для защиты от воздуха и достижения достаточного срока службы устройства все солнечные батареи герметизируют. Для коммерчески-доступных солнечных батарей задача подбора способа инкапсуляции эффективно решена, однако, подавляющее большинство известных методов не подходит для перовскитных солнечных элементов – материалы для герметизации взаимодействуют со слоями солнечного элемента, а сам процесс часто требует нагрева устройства до температуры выше критической для компонентов перовскитных солнечных элементов».
Суть предложенного исследователями метода заключается в том, чтобы перед нанесением стандартного герметика сформировать инертный фторидный или оксидный барьер на поверхности устройства с помощью вакуумного напыления. Барьерный слой защищает «деликатные» слои солнечного элемента от химического взаимодействия с классическими материалами для герметизации таких устройств, к тому же, в процессе вакуумного нанесения барьерного слоя происходит удаление из солнечного элемента следов воды, кислорода и органических растворителей, которые могут приводить к ухудшению стабильности его характеристик в долгосрочной перспективе.
«Более того, в работе было продемонстрировано, что для предотвращения деградации перовскита и уменьшения КПД солнечного элемента необходимо не только физически отделить солнечный элемент от воздуха, но ещё и “зажать” его внутри плотной инертной “капсулы” без пор, которая препятствует выделению газообразных продуктов деградации материалов и делает возможным их “самовосстановление”. Предложенный защитный слой выполняет роль такой капсулы в полученных образцах», – комментирует один из авторов работы, младший научный сотрудник лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ Николай Белич.
Продемонстрированные исследователями лабораторные прототипы перовскитных солнечных элементов сохраняют больше 92% начального КПД в течение непрерывного облучения симулированным солнечным светом в течение 1000 часов, что по суммарной «дозе» облучения ориентировочно соответствует одному году работы солнечной батареи в Москве.
Работа поддержана Российским научным фондом.