Новый метод включает ванну с растворителем при комнатной температуре для создания кристаллов перовскита, а не выброс тепла, используемый в современных методах кристаллизации. Исследование, опубликованное в Journal of Materials Chemistry A Королевского химического общества, показывает, что этот метод позволяет получать высококачественные кристаллические пленки с точным контролем толщины на больших площадях и может указать путь к массовым методам производства перовскитных ячеек.
Перовскиты, класс кристаллических материалов, вызвали настоящий переполох в мире чистой энергии. Перовскитные пленки являются отличными поглотителями света и намного дешевле в производстве, чем кремниевые пластины, используемые в стандартных солнечных элементах.
Эффективность перовскитных ячеек — процент солнечного света, преобразуемого в электричество, — вырос ошеломляющими темпами всего за несколько лет. Первые перовскитные элементы, представленные в 2009 году, имели КПД всего около 4 процентов, что далеко от 25-процентной эффективности, которой могут похвастаться стандартные кремниевые элементы. Но к прошлому году перовскитовые элементы были сертифицированы как имеющие более чем 20-процентную эффективность.
Такое быстрое улучшение характеристик является многообещающим, и исследователи спешат начать использовать перовскитные ячейки в коммерческих продуктах.Есть несколько способов сделать пленки, но почти все они требуют тепла. Химические вещества-предшественники перовскита растворяются в растворе, который затем наносится на подложку. Для удаления растворителя применяется тепло, в результате чего кристаллы перовскита образуются в виде пленки на подложке.
«Люди снимают хорошие пленки на относительно небольших площадях — примерно квадратные доли сантиметра. Но им приходилось выходить на температуру от 100 до 150 градусов по Цельсию, и этот процесс нагрева вызывает ряд проблем», — сказал Нитин. Падтуре, профессор инженерии и директор Института молекулярных и наномасштабных инноваций.Например, при термообработке кристаллы часто формируются неравномерно, оставляя в пленке крошечные отверстия.
В солнечном элементе эти отверстия могут снизить эффективность. Тепло также ограничивает подложки, на которые можно наносить пленки. Например, нельзя использовать гибкие пластиковые подложки, потому что они повреждаются высокими температурами.
Юаньюань Чжоу, аспирант лаборатории Падтура, хотел узнать, есть ли способ сделать тонкие пленки из кристаллов перовскита без применения тепла. Он предложил метод, известный как экстракция растворителем-растворителем (SSE).
В его методе предшественники перовскита растворяются в растворителе, называемом NMP, и наносятся на подложку. Затем, вместо нагревания, субстрат омывают диэтиловым эфиром (DEE), вторым растворителем, который избирательно захватывает растворитель NMP и смахивает его. Осталась сверхгладкая пленка кристаллов перовскита.Поскольку не требуется нагрева, кристаллы можно формировать практически на любой подложке — даже на подложках из термочувствительных полимеров, используемых в гибких фотоэлектрических элементах.
Другое преимущество состоит в том, что весь процесс кристаллизации SSE занимает менее двух минут по сравнению с часом или более для термообработки. Это делает процесс более пригодным для массового производства, потому что его можно выполнять на конвейере.
Подход SSE также позволяет делать пленки очень тонкими при сохранении высокого качества. Стандартные пленки перовскита обычно имеют толщину порядка 300 нанометров. Но Чжоу смог изготавливать высококачественные пленки толщиной до 20 нанометров.
Пленки SSE также можно было сделать больше — несколько квадратных сантиметров — без образования точечных отверстий.«Используя другие методы, когда толщина становится ниже 100 нанометров, вы вряд ли сможете полностью покрыть пленку», — сказал Чжоу. «Вы можете сделать пленку, но у вас будет много точечных отверстий. В нашем процессе вы можете формировать пленку равномерно до 20 нанометров, потому что кристаллизация при комнатной температуре намного более сбалансирована и происходит сразу по всей пленке после купания».Эти ультратонкие пленки частично прозрачны (пленки стандартной толщины черные и непрозрачные), поэтому их можно использовать для изготовления фотоэлектрических окон, говорят исследователи.
И, изменив состав раствора прекурсора перовскита, Чжоу смог сделать клетки разного цвета.«Они потенциально могут быть использованы для декоративных окон, встроенных в здание, которые могут производить энергию», — сказал Падтюр.Группа планирует проделать большую работу по совершенствованию процесса, но их обнадеживают первые результаты. Работая с учеными из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Колорадо, первоначальные испытания элементов, изготовленных из пленок SSE, показали эффективность преобразования более 15 процентов.
Было показано, что солнечные элементы на основе полупрозрачных 80-нанометровых пленок, изготовленных с использованием этого процесса, имеют более высокую эффективность, чем любая другая ультратонкая пленка.«Мы думаем, что это может стать значительным шагом на пути к появлению ряда коммерчески доступных продуктов с перовскитными ячейками», — сказал Падчер.