Как структурные дефекты перовскита превращают его в эффективный солнечный элемент

За последние 15 лет эффективность перовскитных солнечных элементов выросла с 3,8% до более чем 25%, практически сравнявшись с показателями кремниевых панелей. Это кажется аномалией: кремний требует выращивания сверхчистых монокристаллов в стерильных условиях, в то время как перовскиты создаются с помощью дешевых химических растворов. Логика подсказывает, что «грязный» и дефектный материал должен работать хуже, но на практике все происходит ровно наоборот. Группа ученых из Института науки и технологий Австрии (ISTA) нашла причину этого парадокса, которая скрывалась в самой структуре изъянов материала.

Кремниевый перфекционизм против управляемого хаоса

Традиционная солнечная энергетика построена на культе чистоты. Если в кремниевой пластине оказывается хотя бы мизерное количество посторонних примесей или структурных нарушений, они превращаются в ловушки для зарядов. Электроны, выбитые солнечным светом, «застревают» в этих дефектах, не успевая добраться до электродов и превратиться в полезный ток. Именно поэтому производство кремния — это дорогой, энергозатратный и технологически сложный процесс.

Галогенидные перовскиты на основе свинца ломают эту систему. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, доказывает, что их несовершенство — это не баг, а фича. Исследователи Дмитрий Рак и Жаныбек Альпищев обнаружили, что вместо того чтобы мешать движению тока, дефекты формируют упорядоченную инфраструктуру для передачи энергии.

Тайна разделения зарядов внутри кристалла

Основная проблема любого фотоэлектрического материала — склонность электронов и «дырок» (вакантных мест с положительным зарядом) к немедленному воссоединению. Этот процесс называется рекомбинацией. Чтобы солнечная панель работала, нужно мгновенно растаскивать эти противоположности в разные стороны. В кремнии для этого создают искусственный p-n переход, но в перовскитах силы, разделяющие заряды, обнаружились глубоко внутри самого вещества.

Результаты экспериментов показали удивительную вещь:

• Даже в необработанных, «сырых» кристаллах возникает электрический ток без подачи внешнего напряжения;
• Заряды умудряются преодолевать расстояния в сотни микрон, что в микромире эквивалентно сотням километров прогулки по пересеченной местности;
• Внутренние поля перовскита буквально разрывают связанные пары электронов и дырок, не давая им аннигилировать;
• Материал сохраняет квантовую когерентность даже при комнатной температуре, что обычно свойственно лишь экстремально охлажденным системам.

Доменные стенки как скоростные шоссе для тока

Ключ к разгадке лежал в области физики твердого тела, а именно в понятии доменных стенок. Это границы между участками кристалла, где атомная структура слегка смещена. Ранее считалось, что перовскиты должны быть однородными, но австрийские физики доказали обратное: весь объем материала пронизан сетью этих невидимых границ. Они работают как локальные электрические поля, которые захватывают электроны и дырки, разводя их по разные стороны «забора».

Чтобы подтвердить эту теорию, Дмитрий Рак применил метод, напоминающий медицинскую ангиографию. Он ввел в кристалл ионы серебра, которые начали мигрировать и скапливаться именно на доменных стенках. Когда серебро восстановилось до металлического состояния, под микроскопом проявилась сложная, разветвленная сеть — те самые «магистрали», по которым ток течет с минимальными потерями. Оказалось, что чем больше в материале таких «дефектов», тем эффективнее работают транспортные пути для зарядов.

От химических присадок к структурной инженерии

Долгое время ученые пытались улучшить перовскиты, меняя их химический состав — добавляя цезий, меняя галогены или экспериментируя с органическими молекулами. Однако прогресс в этом направлении начал замедляться. Открытие ISTA переводит игру на новый уровень: теперь вместо химии фокус сместится на дизайн микроструктуры. Если мы научимся управлять плотностью и геометрией доменных стенок, эффективность солнечных элементов можно будет наращивать без удорожания производства.

Данная работа дает первое физическое объяснение свойств перовскитов, учитывающее почти все их задокументированные странности, — утверждает Дмитрий Рак. Теперь противоречие между «плохим» качеством материала и его «хорошей» работой окончательно снято.

Перовскиты уже находят применение не только в энергетике, но и в производстве светодиодов (LED), а также в детекторах рентгеновского излучения. Низкая стоимость производства методом печати или напыления в сочетании с пониманием того, как заставить дефекты работать на себя, делает их главным претендентом на замещение кремния. Сможет ли индустрия, завязанная на многомиллиардные вложения в кремниевые заводы, быстро перестроиться под технологию, которая буквально процветает на собственных изъянах?