Способ защиты от разрушения под воздействием воды, например, дождя, перовскитных солнечных батарей на основе йодида свинца-метиламмония (более экономичная альтернатива традиционным кремниевым фотоэлементам) нашли ученые Уральского федерального университета (УрФУ), 10 октября сообщает пресс-служба вуза.

Исследователи УрФУ установили, что защитой от разрушительного воздействия воды для таких фотоэлементов может служить частичная замена свинца на другие щелочноземельные металлы. Эта замена, кроме того, приводит к расширению части видимого спектра излучения, участвующей в процессе генерации электронов.

Статья Данила Бухвалова, старшего научного сотрудника кафедры теоретической физики и прикладной математики УрФУ, о результатах исследования влияния легирования на стабильность и электронную структуру перовскитов была опубликована в Journal of Solid State Chemistry.

Производительность и простота синтеза при изготовлении перовскитных солнечных батарей на основе йодида свинца-метиламмония дает им значительные преимущества перед кремниевыми элементами.

Кроме того, такие фотоэлементы способны эффективно вырабатывать электроэнергию в пасмурную и туманную погоду, что особенно важно при их использовании в России или странах с похожим климатом. Однако, пока такие фотоэлементы нестабильны в условиях их контакта с водой или другими органическими растворителями.

Дождь, попадая на фотоэлемент, разрушает его структуру. Но исследователи УрФУ установили, что замена свинца на такие металлы, как кальций, барий или стронций, позволит защитить соединение от быстрого разрушения.

Данил Бухвалов пояснил: «Производительность солнечных батарей в значительной степени зависит от высокого уровня электрической поляризации соединения. Органическая часть, метиламмоний, неустойчива к органическим растворителям, в том числе к обычной воде. При попадании дождя все соединение начинает постепенно „растворяться“ и терять свои электрические свойства».

Частичная замена свинца на щелочноземельные металлы, например, на широко распространенный и доступный кальций, устраняет эту проблему. Улучшение свойств соединения происходит без потери производительности солнечного элемента.

При этом полностью убрать свинец из соединения нельзя, так как при этом произойдет значительное расширение запрещенной зоны — минимальной энергии, необходимой для перехода захваченного от источника света электрона в зону проводимости электричества.

В случае слишком большой ширины запрещенной зоны соединение перестает улавливать видимый спектр излучения и преобразовывает только ультрафиолетовые лучи, чего не произойдет при частичной замене свинца, которая не только сохраняет фотоэлектрические характеристики соединения, но и немного улучшает их.

Такое соединение поглощает больше солнечного света для преобразования в электроэнергию.

«Оптимальной является замена свинца всего на 5%, но даже эта, казалось бы, незначительная цифра дает несколько положительных результатов. Второй положительный эффект замены состоит в том, что ширина запрещенной зоны увеличивается, но все еще способна поглощать видимый свет. А примесь позволяет охватить даже больше частей видимого спектра, вовлечь больше излучения в процесс генерации электронов. Чем больше света она способна охватить, тем выше эффективность выработки электроэнергии», — добавил Данил Бухвалов.

Еще одним положительным эффектом при использовании такой структуры является упрощение утилизации фотоэлементов, поскольку утилизация содержащих много свинца солнечных батарей становится заметной экологической проблемой.

Проведенное в УрФУ исследование стало важным шагом на пути усовершенствования перовскитных солнечных батарей на основе йодида свинца-метиламмония. Такое усовершенствование требует комплексного подхода и дальнейшего изучения, считают ученые.

Ранее исследователи из УрФУ и Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) уже нашли способ продлить срок работы перовскитных фотоэлементов.