Введение в перовскитные солнечные элементы
Структура перовскитных солнечных элементов представлена на рисунке ниже. Основу элемента составляет поглощающий свет материал, состоящий из металлоорганических галогенидов с кристаллической структурой перовскита (АБХ₃) (структура элементарной ячейки показана на прилагаемом рисунке). В этой структуре перовскита АБХ₃Аэто метиламмониевая группа (Ч₃Нью-Гэмпшир₃⁺),Бпредставляет собой атом металлического свинца, иХпредставляет собой атом галогена, например, хлора, брома или йода. В настоящее время наиболее распространённым перовскитным материалом для высокоэффективных перовскитных солнечных элементов являетсяметиламмоний свинца иодид (Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃). Ширина запрещенной зоны составляет примерно1,5 эВи высокий коэффициент поглощения; пленка толщиной всего несколько сотен нанометров способна поглощать солнечный свет с длиной волны до 800 нм. Более того, этот материал прост в изготовлении — однородная пленка может быть получена методом центрифугирования раствора, содержащего PbI₂ и Ч₃Нью-Гэмпшир₃I, при комнатной температуре. Эти свойства позволяют структуре типа перовскита Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃ не только поглощать видимый свет и часть ближнего инфракрасного спектра, но и генерировать фотогенерированные носители заряда, менее склонные к рекомбинации, с минимальными потерями энергии. Это основная причина высокой эффективности перовскитных солнечных элементов.
Рисунок: Кристаллическая структура перовскитного материала (на примере Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃) и принципиальная схема структуры перовскитного солнечного элемента.
В связи с относительно сложной кристаллической структурой, которая предъявляет строгие требования к радиусам атомов (или групп) в позициях A, B и X, состав перовскитных светопоглощающих материалов относительно фиксирован. В последнее время некоторые исследовательские группы заменили метиламмониевую группу в позиции A наформамидиний (ФА⁺), сужая запрещенную зону до1,48 эВи достижение более высокого фототока. ДляСайт BЗамена свинца (свинец) на олово (Сн) пока не привела к каким-либо зарегистрированным фотоэлектрическим реакциям.X-сайтМожно использовать такие атомы, как хлор, бром или йод, но только перовскиты на основе йода имеют подходящую ширину запрещённой зоны для высокой эффективности преобразования. Помимо Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃,Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃₋ₓClₓТакже широко изучается. Сохраняя основную структуру энергетических уровней, небольшое количество легирования хлором может улучшить подвижность электронов, демонстрируя превосходные фотоэлектрические характеристики. Однако, по сравнению с материалами на основе кремния, широко используемые перовскитные светопоглощающие материалы имеют такие недостатки, какнедостаточно широкий диапазон светочувствительности, чувствительность к воде и некоторым растворителям, а также содержание тяжелого металла свинца. Поэтому, находя перовскитные материалы сболее узкие запрещенные зоны, лучшая химическая стабильность и экологичностьимеет большое значение.
Разработка тонкопленочных солнечных элементов на основе перовскита началасьсенсибилизированные красителем солнечные элементы (DSSC)Используя технологии, накопленные за последние два десятилетия в области DSSC, органических солнечных элементов и других технологий, перовскитные солнечные элементы быстро развивались. Первые перовскитные солнечные элементы использовалисьЧ₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃ для сенсибилизации фотоанодов TiO₂ и жидкого электролита I₃⁻/I⁻, достигая эффективности всего лишь3,8%(оптимизировано до 6,5%). Однако из-за нестабильности Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃ в жидком электролите I₃⁻/I⁻ стабильность ячейки была низкой, и исследования в этой области в настоящее время ограничены. Замена жидкого электролита I₃⁻/I⁻ натвердотельный дырочный транспортный материал (HTM)(например, спиро-ОМеТАД, P3HT) значительно улучшили эффективность клеток, достигнув16%, превосходя самую высокую эффективность сенсибилизированных красителями солнечных элементов (13%) и демонстрируя хорошую стабильность.
Основываясь на этом,Х. Снайт и др.заменил пористый слой полупроводника n-типа TiO₂ на изолирующий материал, такой какЭл₂O₃ или ZrO₂и сборные тонкопленочные элементы с использованием материалов для переноса дырок, также достигая высокой эффективности (зарегистрированный максимальный КПД составил 15,9%). Этот результат свидетельствует о том, что перовскитный материал Ч₃Нью-Гэмпшир₃PbI₃ сам по себе обладает хорошей электронной проводимостью. Перовскитные солнечные элементы, основанные на слоях изоляционного материала, в принципе, вышли за рамки традиционной концепции сенсибилизации, ставмезоскопический сверхструктурированный гетеропереходный солнечный элемент. Кроме того, удалив слой изолирующего каркаса и используя равномерную высококачественную пленку перовскита,планарная гетеропереходная ячейкаТакже может достигать высокой эффективности (максимальный КПД составляет 15,7%). С другой стороны, даже без материалов для переноса дырок, гетеропереходная ячейка, образованная перовскитом и пористым TiO₂, достигла эффективности 10,5%. В этой структуре, подобно коллоидным солнечным элементам на квантовых точках, перовскит выполняет двойную функцию: поглощения света и переноса дырок. Кроме того, использование материала перовскита в качестве поглощающего свет слоя ворганическая структура солнечной батареи, с производным фуллерена PCBM в качестве слоя переноса электронов и ПЕДОТ:ПСС в качестве слоя переноса дырок, эффективность превышает12%Были достигнуты результаты, превосходящие лучшие результаты традиционных органических/полимерных солнечных элементов. Стоит отметить, что перовскитные солнечные элементы на основе органических структур солнечных элементов могут быть изготовленыгибкая и рулонная продукция для крупномасштабного производстваВ настоящее время такие гибкие перовскитные ячейки достигли высокой эффективности9,2%.
Рисунок: Структура перовскитного солнечного элемента.
Тот факт, что перовскитные материалы могут достигать эффективности, превышающей10%в этих совершенно разных структурах солнечных элементов, предполагает, что в будущих практических приложениях,несколько структур могут сосуществовать и конкурировать. В то же время, глубокие исследования и понимание фундаментальных свойств материалов и принципов работы ячеек имеют решающее значение. Это не только поможет улучшить характеристики перовскитных солнечных элементов, но и предоставит информацию для разработки более простых и эффективных новых структур.
