Электрохимическая стабильность перовскитных солнечных элементов на основе комплексных галогенидов свинца

Новое поколение полупроводниковых материалов на основе комплексных галогенидов свинца с перовскитной структурой демонстрирует поистине уникальные оптоэлектронные и электрофизические характеристики. В частности, солнечные батареи на основе данных материалов, полученные простым поливом пленок из раствора, демонстрируют к.п.д. преобразования света >25%, что близко к характеристикам фотопреобразователей на основе поликристаллического кремния (~26%). К сожалению, практическое использование перовскитных солнечных батарей крайне затруднено из-за их очень низкой стабильности по отношению к действию комплекса внешних (extrinsic) и внутренних (intrinsic) факторов. К внутренним факторам можно отнести влияние на солнечные батареи облучения светом, повышенных температур и электрического поля, т.к. их невозможно избежать в работающем фотоэлементе. Влияние на устройства кислорода и влаги воздуха – это воздействие внешних факторов, которое может быть эффективно предотвращено за счёт использования качественной инкапсуляции. Поэтому понимание механизмов «внутренней» (intrinsic) деградации пленок фотоактивных галогенидов свинца в условиях эксплуатации солнечных батарей приобретают первостепенное значение. В то же время, электрохимическая стабильность перовскитных фотоактивных материалов в электрическом поле, формирующимся в работающем солнечном элементе, значительно менее изучена. Для наиболее широко используемого фотоактивного перовскитного материала MAPbI3 с помощью комплекса методов, включающих атомно-силовую и флуоресцентную микроскопию, было показано, что приложенное электрическое поле вызывает окисление I- до I2, который остается в пленке в виде полийодидов, и, следовательно, процесс может быть обращен в ходе восстановления [1]. Напротив, при восстановлении органического катиона метиламмония образуются летучие продукты, которые покидают пленку и, таким образом, делают деградацию необратимой. Для FAPbI3 методами времяпролетной масс-спектрометрии визуализировано разрушение интерфейсов перовскит/золотой электрод под действием электрического поля [2]. Наряду с этим активно развиваются методы сканирующей ближнепольной ИК-микроскопии для исследования полупроводниковых перовскитов [3], позволяющие визуализировать динамику катионов, в том числе для многокатионных систем. Однако отсутствуют систематические сравнительные исследования процессов электрохимической деградации в перовскитных пленках комплексных галогенидов свинца. В то же время практическое внедрение перовскитных солнечных батарей требует глубокого понимания процессов, протекающих в перовскитных фотоактивных материалах при наложении электрического поля для разработки нового поколения устройств, отличающихся высокой электрохимической стабильностью. На решение этой важной задачи и нацелен заявляемый проект. Целью проекта является систематическое исследование электрохимической стабильности широкого круга комплексных галогенидов свинца со структурой перовскита (APbX3, A=Cs, MA и FA; X=Br, I и Cl и их комбинации) с применением набора комплементарных методов: сканирующей ближнепольной микроскопии ИК-диапазона в сочетании с различными методиками атомно-силовой микроскопии, включая метод зонда Кельвина, а также рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии в комбинации с энергодисперсионным микроанализом, масс-спектрометрии вторичных ионов. Выявленные важнейшие фундаментальные взаимосвязи между химическим составом материалов, их кристаллической структурой и электрохимической стабильностью позволят создать фотоактивные материалы, обеспечивающие высокую эксплуатационную стабильность перовскитных солнечных батарей. 1. O. R. Yamilova et al. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 1, 221–228. 2. M.N. Drozdov et al. Advanced Materials Interfaces 2019, 6, 12, 1900364. 3. E. Gross NanoResearch 2019, 12, 2200-2210.