Перовскитные материалы, которые определяются их кристаллической структурой, лучше поглощают свет, чем кремний. Это означает, что перовскитовые солнечные элементы могут быть тоньше и легче кремниевых солнечных элементов без ущерба для способности элемента преобразовывать свет в электричество.

"Это открывает двери для множества новых технологий, таких как гибкие, легкие солнечные элементы или многослойные солнечные элементы (известные как тандемы), которые могут быть намного более эффективными, чем технология сбора солнечной энергии, используемая сегодня на так называемых солнечных фермах", - говорит Арам Амассиан, автор-корреспондент статьи по открытие. "Существует интерес к интеграции перовскитных материалов в технологии кремниевых солнечных элементов, что позволило бы повысить их эффективность с 25% до 40% при одновременном использовании существующей инфраструктуры". Амассиан - профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Северная Каролина.

Однако работа с перовскитовыми материалами представляет собой проблему, поскольку на сегодняшний день не удалось обеспечить долговременную стабильность работы перовскитовых солнечных элементов. Перовскиты являются ионными материалами, и когда к перовскиту прикладывается напряжение, это заставляет ионы мигрировать через материал. Считается, что эти мигрирующие ионы вносят вклад в химические и структурные изменения в материале, которые в конечном итоге делают материалы неэффективными и нестабильными. Чтобы создать практичные перовскитные солнечные элементы, исследователям необходимо найти способ решения этой проблемы.

"Мы не нашли способа предотвратить перемещение ионов через перовскитные материалы, но мы иметь обнаружено, что можно направить эти ионы в безопасный канал, который не ухудшает структурную целостность или эксплуатационные характеристики материала", - говорит Амассиан. "Это большой шаг вперед".

Безопасным каналом в данном случае является нечто, называемое границей зерен. Перовскитные материалы - это многокристаллические материалы. Это означает, что когда вы "выращиваете" перовскит, материал образуется в виде серии кристаллов - или "зерен", - которые находятся на одном уровне друг с другом. Эти зерна отвечают за поглощение света и генерацию зарядов, ответственных за электрический ток. Каждое из этих зерен имеет одинаковую кристаллическую структуру, но зерна могут быть ориентированы в несколько разных направлениях. Область, где зерна соприкасаются, называется границей зерен.

"Мы обнаружили, что зерна лучше защищены от разрушения, когда ионы движутся преимущественно вдоль границы зерен", - говорит первый автор и соавтор исследования Масуд Гасеми, бывший постдокторский исследователь в штате Северная Каролина, который сейчас является постдокторским исследователем в Пенсильванском университете. "Соединяя это с тем, что уже известно о перовскитных материалах, становится ясно, что проблемы начинаются, когда границы зерен слабые, что облегчает проникновение ионов в сами зерна. Создание более прочных границ зерен, которые защищают зерна, важно для блокирования проникновения в зерна мигрирующих ионов и других вредных веществ, таких как кислород, смягчая проблемные химические и структурные изменения в материале".

"Это важное понимание, потому что существуют устоявшиеся методы, которые мы можем использовать для создания перовскитных материалов и их границ зерен; теперь мы можем использовать эти подходы для защиты зерен", - говорит Амассиан. "В этой статье мы демонстрируем, как эти методы укрепляют границы зерен. Короче говоря, теперь мы знаем, что нужно сделать, чтобы получить гораздо более стабильные перовскиты".

Эта работа может также послужить основой для разработки более эффективных технологий хранения энергии.

"Эта работа продвигает наше фундаментальное понимание того, как ионы движутся через любой кристаллический материал, который может нести заряд, а не только через галогенидные перовскиты", - говорит Амассиан. "Мы рады поговорить с коллегами, которые работают над накоплением энергии, о том, как это может повлиять на разработку более быстрых ионных проводников".

Исследование было проведено при поддержке Управления военно-морских исследований США в рамках гранта № N00014-20-1-2573 ; Национальный научный фонд в рамках гранта № CHE-1848278; и Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США в рамках гранта № DE-EE0009364.