Исследователи использовали комбинацию методов, чтобы имитировать процесс старения под воздействием солнечного света и наблюдать изменения в материалах на наноуровне, помогая им получить новое представление о материалах, которые также демонстрируют потенциал для оптоэлектронных применений, таких как энергоэффективные светодиоды и детекторы рентгеновского излучения, но имеют ограниченный срок службы.

Их результаты, опубликованные в журнале Природа, могло бы значительно ускорить разработку долговечных, коммерчески доступных перовскитных фотоэлектрических элементов.

Перовкситы распространены в большом количестве и гораздо дешевле в обработке, чем кристаллический кремний. Они могут быть приготовлены жидкими чернилами, которые просто печатаются для получения тонкой пленки материала.

В то время как общая выходная мощность перовскитных солнечных элементов часто может соответствовать или - в случае многослойных "тандемных" устройств - превышать ту, которая достижима при использовании традиционных кремниевых фотоэлектрических элементов, ограниченный срок службы устройств является ключевым препятствием для их коммерческой жизнеспособности.

Типичная кремниевая солнечная панель, подобная тем, которые вы можете увидеть на крыше дома, обычно служит около 20-25 лет без значительных потерь производительности.

Поскольку перовскитные устройства намного дешевле в производстве, им, возможно, не потребуется такой длительный срок службы, как их кремниевым аналогам, чтобы выйти на некоторые рынки. Но чтобы реализовать свой максимальный потенциал в реализации широкомасштабной декарбонизации, ячейки должны будут работать как минимум десять или более лет. Исследователям и производителям еще предстоит разработать перовскитовое устройство, обладающее стабильностью, аналогичной стабильности кремниевых элементов.

Теперь исследователи из Кембриджского университета и Окинавского института науки и технологий (OIST) в Японии открыли секрет лечения "ахиллесовой пяты" перовскитов.

Используя набор методов с высоким пространственным разрешением, в сотрудничестве с синхротронной установкой Diamond Light Source и Центром обработки изображений electron Physical Sciences (ePSIC) в Дидкоте и департаментом материаловедения и металлургии в Кембридже, команда смогла наблюдать наноразмерные свойства этих тонких пленок и то, как они изменяются со временем при солнечном освещении.

Предыдущая работа команды, использующей аналогичные методы, пролила свет на дефекты, которые приводят к снижению производительности перовскитных фотоэлектрических элементов - так называемых ловушек носителей.

"Освещая перовскитные пленки с течением времени, имитируя старение устройств на солнечных элементах, мы обнаружили, что наиболее интересная динамика происходит в этих наноскопических кластерах-ловушках", - сказал соавтор доктор Стюарт Макферсон из Кавендишской лаборатории Кембриджа.

"Теперь мы знаем, что изменения, которые мы видим, связаны с фоторазрушением пленок. В результате ловушки носителей, ограничивающие эффективность, теперь могут быть напрямую связаны с не менее важной проблемой долговечности солнечных элементов".

"Это довольно захватывающе, - сказал соавтор исследования доктор Тиарнан Доэрти из Кембриджского факультета химической инженерии и биотехнологии и колледжа Мюррея Эдвардса, - потому что это предполагает, что если вы сможете устранить образование этих поверхностных ловушек, то вы одновременно улучшите производительность и стабильность устройств с течением времени.."

Настраивая химический состав и то, как образуется пленка перовскита, при подготовке устройств, исследователи показали, что можно контролировать, сколько образуется этих вредных фаз и, следовательно, как долго прослужит устройство.

"Наиболее стабильные устройства, по-видимому, по счастливой случайности снижают плотность вредных фаз за счет тонких композиционных и структурных изменений", - сказал Доэрти. "Мы надеемся, что эта статья раскрывает более рациональный, целенаправленный подход к выполнению этого и достижению самых высокопроизводительных устройств, работающих с максимальной стабильностью".

Группа с оптимизмом смотрит на то, что их последние открытия еще больше приблизят нас к первым коммерчески доступным перовскитовым фотоэлектрическим устройствам.

"Перовскитовые солнечные элементы находятся на пороге коммерциализации, и первые производственные линии уже производят модули", - сказал доктор Сэм Странкс из департамента химической инженерии и биотехнологии Кембриджа, который руководил исследованием.

"Теперь мы понимаем, что любые остаточные нежелательные фазы - даже крошечные наноразмерные карманы, оставшиеся после обработки элементов, - будут плохой новостью для долговечности перовскитовых солнечных элементов. Поэтому производственные процессы должны включать тщательную настройку структуры и состава на большой площади, чтобы устранить любые следы этих нежелательных фаз - даже более тщательный контроль, чем принято считать для этих материалов. Это отличный пример того, как фундаментальная наука непосредственно руководит масштабируемым производством".

"Было очень приятно видеть, что подходы, которые мы разработали в OIST и Кембридже за последние несколько лет, обеспечивают прямую визуализацию этих крошечных остаточных нежелательных фаз и то, как они меняются с течением времени", - сказал соавтор доктор Кешав Дани из отдела фемтосекундной спектроскопии OIST. "Остается надежда, что эти методы продолжат выявлять аспекты, ограничивающие производительность фотоэлектрических устройств, поскольку мы работаем над изучением действующих устройств".

"Еще одной сильной стороной перовскитных устройств является то, что их можно производить в странах, где нет существующей инфраструктуры для обработки монокристаллического кремния", - сказал Макферсон. "Кремниевые солнечные элементы дешевы в долгосрочной перспективе, но требуют значительных первоначальных капитальных затрат для начала обработки. Но для перовскитов, поскольку они могут быть легко обработаны раствором и напечатаны с использованием гораздо меньшего количества материала, вы устраняете эти первоначальные затраты. Они предлагают жизнеспособный вариант для стран с низким и средним уровнем дохода, стремящихся перейти на солнечную энергию".