В ЛЭТИ разработали основу для создания более стабильных солнечных элементов с добавлением муравьиной кислоты

Галогенидные перовскиты – класс высокоэффективных полупроводниковых материалов, которые отлично поглощают свет, устойчивы к дефектам, а их оптические свойства легко настраивать изменением состава. Благодаря своим характеристикам они активно используются для создания солнечных элементов и другой оптоэлектроники. Сегодня КПД перовскитных батарей уже превысил 26% (значение превышает КПД кремниевых аналогов), но они имеют существенный недостаток в виде низкой долговременной стабильности.

Наиболее перспективны перовскиты с тремя положительно заряженными ионами (катионами). Они стабильнее при нагреве и не переходят в неактивные кристаллические фазы при комнатной температуре. Однако при формировании пленки в них часто образуются отдельные участки, обогащенные разными дефектами, что ухудшает перенос заряда и снижает эффективность устройства. Существующие методы подавления деградации (такие как защитные покрытия, сложные химические модификации, выращенные на подложке структуры) либо являются дорогостоящими, либо усложняют производство.

По этим причинам важно проводить исследования, нацеленные на разработку более простых способов улучшения качества пленки еще на этапе приготовления раствора. Один из таких методов – регулирование размера микроскопических частиц жидкости в так называемом растворе прекурсоре (начальное вещество, используемое в производстве целевых веществ) с помощью кислот, в частности, муравьиной кислоты. Раннее муравьиная кислота уже применялась для перовскитов с одним или двумя катионами, однако её использование для «тройного» перовскита недостаточно изучено.

«Мы изучили влияние муравьиной кислоты на свойства солнечных элементов на основе гибридного перовскита нового поколения. Основной проблемой этих устройств является нестабильность, обусловленная разделением раствора на отдельные фазы и дефектами на границах зерен. Результаты показали, что добавление муравьиной кислоты в раствор прекурсора для изготовления активных слоев фотоэлектрических элементов, позволяет уменьшить размер коллоидных частиц на 90%. Это способствует формированию высокооднородных пленок и снижению плотности дефектов. Испытания на деградацию продемонстрировали увеличение срока службы модифицированных ячеек с 158 до 320 дней в условиях окружающей среды при комнатной температуре и относительной влажности, что открывает перспективы для создания коммерчески жизнеспособных перовскитных солнечных элементов».

Ученые разработали методику создания перовскитных солнечных элементов, в рамках которой ключевым этапом стало введение в состав прекурсора муравьиной кислоты, которая предотвращает фазовую сегрегацию перовскита, при этом не внося посторонних примесей, так как единственным побочным продуктом реакции является углекислый газ, свободно удаляющийся из раствора. Исследователи измерили размер частиц в исходном растворе, в ходе чего было обнаружено, что добавление муравьиной кислоты уменьшает размер коллоидов в 10 раз и это приводит к формированию более плотной и бездефектной пленки перовскита.

На последнем этапе на первоскитный слой нанесли органическое покрытие с добавками, которые позволяют улучшить перенос положительных зарядов. После этого для высокой проводимости формировались золотые контакты методом вакуумного термического испарения, что в совокупности позволило создать работоспособную архитектуру солнечного элемента с улучшенной стабильностью и воспроизводимостью параметров.

Результаты опубликованы в научном журнале Colloids and Interfaces (Q2). Исследование профинансировано проектом № FSEE-2025-0013, выполненным в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.

Работа ведется в русле научно-исследовательской политики программы развития СПбГЭТУ «ЛЭТИ» «Приоритет-2030», национального проекта «Молодёжь и дети» и инициативы Десятилетия науки и технологий.