Разработка новых электрон-транспортных слоев для повышения эффективности и стабильности перовскитных солнечных батарей

Солнечная энергетика является экспоненциально растущей индустрией, на которую приходится около 2% общего мирового производства электроэнергии [World energy resources 2016 (World Energy Council), http://www.worldenergy.org/publications/2016/world-energy-resources-2016]. Будучи крупнейшей страной, Россия обладает огромным потенциалом в области солнечной энергетики, который остается нереализованным. Успешное развитие мировой фотоэлектрической промышленности обусловлено как быстрым увеличением объема производства традиционных кремниевых солнечных панелей (что приводит к значительному снижению их цены), так и постоянной разработкой и постепенным внедрением новых типов солнечных батарей. Перовскитные солнечные батареи на основе комплексных галогенидов свинца выглядят наиболее перспективными среди всех «развивающихся» фотоэлектрических технологий. Во-первых, они показывают самый быстрый рост эффективности преобразования света (РСЕ или к.п.д.) со временем. Сейчас лучшие лабораторные образцы перовскитных солнечных элементов показывают сертифицированные к.п.д. более 25%, что близко к характеристикам солнечных элементов на основе кристаллического кремния (26.7%) [M. Green et al. Prog Photovolt Res Appl. 2020, 28, 3]. Во-вторых, перовскитные солнечные элементы продемонстрировали беспрецедентно низкую чувствительность к примесям и дефектам, что позволяет производить их из дешевых материалов без какой-либо существенной очистки, как требуется в случае кремния и других неорганических полупроводников. В-третьих, перовскитные солнечные панели могут быть изготовлены с использованием низкотемпературных растворных методов, что открывает широкие возможности для их масштабного производства с использованием дешевых и высокопроизводительных технологий рулонной печати. Таким образом, солнечные батареи на основе комплексных галогенидов свинца и кристаллического кремния близки по эффективности, тогда как стоимость фотоэлектрических панелей на основе перовскитных материалов может быть существенно ниже: вероятно, более чем на 50%, согласно недавней оценке [L. Meng et al. Nat. Commun. 2018, 9, 5265]. Кроме того, поскольку кремниевые солнечные панели уже достаточно дешевы и их цена составляет меньшую часть полной стоимости фотоэлектрической системы, крайне важно сейчас повысить к.п.д. преобразования света, чтобы сделать производство электроэнергии еще дешевле. Поэтому значительные усилия сосредоточены на объединении ячеек на основе кристаллического кремния и комплексных галогенидов свинца в тандемные устройствах, которые в настоящее время демонстрируют к.п.д. >29%. С учетом вышесказанного, нет никаких сомнений в том, что у перовскитных фотовольтаических технологий имеется большой потенциал и они в перспективе могут изменить облик мировой энергетики. Критическим фактором, ограничивающим коммерциализацию перовскитных солнечных элементов, является их низкая эксплуатационная стабильность. Исполнители данного проекта впервые показали, что комплексные йодиды свинца разлагаются под действием света [A. F. Akbulatov et al. J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 1211, L.A. Frolova et al. Chem. Comm. 2015, 51, 14917]. Тем не менее, мы недавно установили [A. F. Akbulatov et al. J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 1, 333], что большинство реакций разложения комплексных галогенидов свинца являются обратимыми. Следовательно, перовскитный полупроводниковый материал может восстанавливаться после облучения в темноте, если мы предотвратим потерю всех летучих компонентов из активного слоя устройства. Эта проблема может быть в значительной степени решена оптимизацией других компонентов устройства, например, за счет разработки смежных электрон-транспортных слоев (ETL) с улучшенными электрическими и физико-химическими характеристиками, в том числе способностью эффективно инкапсулировать фотоактивный перовскитный слой и подавлять его деградацию [A. G. Boldyreva et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 16, 19161]. Основной целью данного проекта является разработка принципов и методов рационального дизайна новых электрон-транспортных материалов с заданными свойствами, способных существенно увеличить срок службы перовскитных солнечных элементов, что необходимо для коммерциализации этой технологии. Следует также отметить, что данный проект полностью соответствует направлению Н2 Стратегии научно-технического развития Российской Федерации «Переход на экологически чистое и ресурсосберегающее производство энергии, повышение эффективности добычи и переработки углеводородного сырья, создание новых источников и технологий для производства, транспортировки и хранения энергии».