Ученые выяснили, что тонкая защитная пленка из полимера позволяет перовскитным солнечным элементам — дешевым и гибким преобразователям света в электричество — сохранять 98% эффективности после целого года работы. Для сравнения, устройства без покрытия теряют большую часть своей мощности всего через 25 дней эксплуатации из-за разрушения под действием влаги, воздуха и ультрафиолета. Разработка поможет создавать недорогие и надежные солнечные панели для наземных источников энергии и космических аппаратов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
Одна из самых многообещающих технологий для «зеленой» энергетики — перовскитные солнечные элементы. Эти устройства представляют собой гибкие пленки из соединений металлов с галогенами (хлором, бромом или иодом) и органическими остатками. Благодаря особой кристаллической структуре такие материалы преобразуют солнечный свет в электричество с эффективностью 27%, что превосходит большинство известных аналогов. Более того, такие солнечные элементы дешевы в производстве и могут использоваться на гибких поверхностях, что крайне удобно для портативных источников питания.
Однако у перовскитных солнечных элементов есть недостаток: они чувствительны к влаге, кислороду воздуха, высоким температурам и ультрафиолету. Под их влиянием структура материала быстро разрушается, и солнечный элемент теряет свою эффективность. Поэтому ученые стремятся разработать защитные слои, которые позволят широко использовать технологию на практике.
Ученые из Сколтеха (институт входит в группу ВЭБ.РФ) и ООО «ИНСКАН» создали покрытие из полимера парилена, которое предотвращает разрушение перовскитных материалов. Парилен авторы выбрали потому, что он прочен и при этом практически не взаимодействует с другими веществами, в том числе с водой и кислородом. Кроме того, этот полимер можно легко осадить на любую поверхность при комнатной температуре в виде тончайшей пленки.
В своей работе исследователи сравнили четыре разновидности парилена: парилен-N, который, кроме углерода и водорода, не содержит дополнительных элементов; парилен-C, содержащий один атом хлора; парилен-D, несущий два атома хлора, и парилен-F — соединение с фтором.
Ученые нанесли тонкие пленки исследуемых полимеров на солнечные элементы, после чего испытали устойчивость образцов к яркому свету, нагреву до 85°С и высокой влажности. Оказалось, что парилены, содержащие хлор, отлично защищают устройство от воды, но инициируют диффузию ионов серебра, используемого в качестве токосъемника. Это приводит к тому, что устройство вовсе перестает преобразовывать энергию солнечного света в электричество. Парилен, содержащий фтор, оказался максимально устойчив к ультрафиолету, но плохо защищал перовскитный материал от влаги.
Наилучшие свойства показал образец, покрытый париленом-N (без дополнительных элементов). Этот полимер эффективно защитил солнечный элемент от всех негативных воздействий. Солнечные элементы с покрытием из парилена-N сохранили 98% своей первоначальной эффективности после 10 000 часов (больше года) работы. Для сравнения, незащищенные элементы переставали работать уже через 600 часов (25 дней).
«Наши образцы продемонстрировали такие показатели стабильности при хранении в темноте на атмосферном воздухе и при влажности около 30–35%. Мы планируем повторить эксперимент в более жестких условиях, при относительной влажности 85% и температуре 85°С. При этом наши эксперименты показали, что состав покрытия можно будет оптимизировать в зависимости от задачи, которую будет выполнять устройство. Например, парилен-F может быть перспективен в космической отрасли, поскольку он наиболее устойчив к ультрафиолету. Парилены, содержащие хлор, имеют наилучшую устойчивость к влаге и могут быть интересны как самостоятельное покрытие в гибких фотоэлементах в качестве электродов, где используется любой инертный металл помимо серебра», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александра Болдырева, кандидат химических наук, научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха.
Изображение: изменение коэффициента преобразование света (PCE) устройств, покрытых разными производными парилена. Источник: Александра Болдырева / Сколтех.
Источник: РНФ
