Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния, который обладает высокой эффективностью преобразования энергии и хорошей стабильностью. Но они относительно дороги и достигают своих практических и экономических пределов фотоэлектрической эффективности. Перовскиты считаются ведущим претендентом на замену кремния в качестве предпочтительного материала для солнечных панелей. Ожидается, что перовскитовые солнечные элементы будут стоить дешевле, иметь низкую температуру изготовления, а также будут легкими и гибкими. Они могут быть напечатаны на пластиковых пленках в виде гибких солнечных элементов или использоваться в качестве покрытия для оконных стекол для поглощения солнечного света, обеспечивая широкое удобство использования.

Среди различных типов перовскитовых солнечных элементов те, которые имеют перевернутую конструктивную конфигурацию, обладают исключительной стабильностью, что делает их хорошими кандидатами для достижения срока службы коммерческих кремниевых солнечных элементов. Однако перовскитные материалы содержат химически активные компоненты, которые могут легко улетучиваться и разлагаться при высокой температуре и влажности, сокращая срок службы солнечных элементов. И по-прежнему отсутствовала стратегия повышения эффективности инвертированных перовскитных солнечных элементов до 25%, чтобы они могли конкурировать с кремниевыми солнечными элементами, сохраняя при этом их стабильность.

Вдохновленный уникальными свойствами металлосодержащего материала под названием ферроцены, доктор Чжу Цзунлун, доцент химического факультета университета СитьЮ, преодолел эти препятствия с помощью нового подхода. В сотрудничестве с профессором Николасом Лонгом из Имперского колледжа команда доктора Чжу оригинально добавила ферроцены в перовскитовые солнечные элементы в качестве интерфейса между светопоглощающим слоем и слоем, транспортирующим электроны, добившись прорыва. "Мы - первая команда, которая успешно повысила эффективность инвертированных перовскитовых солнечных элементов до рекордно высокого уровня в 25% и прошла тест на стабильность, установленный Международной электротехнической комиссией (МЭК)", - сказал д-р Чжу.

Результаты были опубликованы в научном журнале Наука.

"Уникальные свойства ферроценов могут помочь преодолеть проблемы с перовскитовыми солнечными элементами", - сказал профессор Лонг, который является экспертом в области металлоорганической химии. Ферроцен - это соединение с атомом железа, "зажатым" между двумя плоскими углеродными кольцами. Команда доктора Чжу использовала ферроцен, в котором углеродные кольца присоединены к различным органическим группам, разработанный командой профессора Лонга. "Эти органические группы снижают реакционную способность поверхности перовскита, повышая как эффективность, так и стабильность", - пояснил доктор Чжу.

Перовскитовые солнечные элементы состоят из слоев материалов. Слой перовскита предназначен для сбора света. Молекулы ферроцена ускоряют перенос электронов от активного слоя перовскита к электроду в слое преобразования электроэнергии, тем самым повышая эффективность.

Еще одно достоинство этих органических групп, объяснил доктор Чжу, заключается в том, что "металлоорганическое соединение на основе ферроцена, разработанное совместной командой, прочно закрепляет ион на поверхности перовскита посредством прочной химической связи, снижая чувствительность солнечных элементов к внешней среде и задерживая процесс деградации устройства".

В ходе эксперимента команда CityU обнаружила, что эти недавно изобретенные солнечные элементы могут работать при непрерывном освещении более 1500 часов и при этом сохранять более 98% своей первоначальной эффективности. Устройства также соответствуют международному стандарту для зрелой фотоэлектрической системы, демонстрируя превосходную стабильность в жаркой и влажной среде (85 градусов Цельсия и 85% влажности).

"Наиболее важной частью этой работы является то, что мы успешно изготовили высокоэффективные перовскитные солнечные элементы, обеспечивая при этом многообещающую стабильность. Надежные результаты означают, что коммерциализация перовскитов идет полным ходом", - сказал доктор Чжу.

Команда коллаборационистов запатентовала свой дизайн. "Мы стремимся расширить производство перовскитных солнечных элементов, используя эту новую молекулу и простой метод, способствуя достижению глобальной цели устойчивого развития с нулевым выбросом углерода", - заключил д-р Чжу.

Доктор Чжу и профессор Лонг являются соответствующими авторами статьи. Первыми авторами являются аспиранты Ли Чжэнь и Ву Синь, а также аспирант-исследователь доктор Ли Бо с химического факультета университета СитьЮ. Другими членами команды CityU являются доктор Чжан Шуфэн и г-н Гао Данпэн с химического факультета.

Исследование было поддержано CityU, Фондом инноваций и технологий, Советом по исследовательским грантам Гонконга и Фондом естественных наук провинции Гуандун.