Материаловеды МГУ поняли, как улучшить эффективность солнечных батарей

Сотрудники МГУ изучили органо-неорганические перовскиты — новый класс фотоактивных, то есть реагирующих на свет материалов

Материалы так назвали из-за сходства по структуре с минералом перовскитом (титанатом кальция CaTiO3), но свойства их существенно интереснее!

При помощи этих материалов можно создавать, к примеру, перовскитные солнечные батареи. Разработали их не так давно —5 лет назад, но коэффициент полезного действия у них выше чем у более распространенных и более дорогих кремниевых солнечных элементов!

Порой гибридные перовскиты при кристаллизации приобретают странную нитевидную форму. Учёные выяснили, что это происходит из-за строения промежуточных соединений, образующихся в процессе кристаллизации перовскита.

Ученые нашли целую группу таких соединений, и все они представляют собой кристаллосольваты. Это кристаллические соединения, в структуре которых располагаются молекулы растворителя исходных компонентов. Растворенные компоненты, выпадая из раствора, образуют пленку, на которой и растут кристаллы перовскита.

Поскольку такие промежуточные соединения нестабильны, авторы использовали синхротронное излучение и низкие температуры, чтобы заморозить кристаллы, охлаждая их до температуры -173 °С. Заморозка позволила ученым остановить разрушение кристаллов и провести необходимые измерения, чтобы затем расшифровать структуру сольватов.

Дополнительно была изучена термическая стабильность полученных соединений и с помощью квантово-химического моделирования рассчитана энергия их образования. А вычислив энергию, стало возможным объяснить, почему при использовании разных растворителей образуются разные кристаллы.

В ходе исследования выяснилось, что соотношение реагентов в растворе определяет, какое именно промежуточное соединение образуется в процессе кристаллизации. Кристаллическая структура промежуточного соединения задает форму образующимся кристаллам перовскита, что и  определяет структуру светопоглощающего слоя. А эта структура в свою очередь влияет на производительность солнечной батареи.

«Мы выяснили, что ключевым фактором, определяющим функциональные свойства перовскитного слоя, является образование промежуточных соединений. Кристаллиты перовскита наследуют форму промежуточных соединений! Это особенно важно при получении тонких пленок перовскита, поскольку игольчатая или нитевидная форма кристаллов делают плёнку не сплошной, а это значительно снижает КПД такой солнечной ячейки.

Знание о влиянии соотношения исходных реагентов на форму образующихся кристаллов позволит выбирать условия для получения оптимальных пленок», — рассказал руководитель исследования, кандидат химических наук Алексей Тарасов, заведующий лабораторией Новых материалов для солнечной энергетики факультета Наук о материалах МГУ имени М.В. Ломоносова.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными Курчатовского центра синхротронного излучения и Федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария. Её результаты опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry C.

http://rusplt.ru/umnaya-rossiya/materialovedyi-ponyali-uluchshit-30908.html