Перовскиты с двумерной запрещенной зоной идеально подходят для тандемных фотоэлектрических систем

Используя специальные протоколы кристаллизации и специальные органические молекулы, группа ученых разработала двумерный перовскит с шириной запрещенной зоны 1,7–1,8 эВ и высокой стабильностью. Результат, который может открыть новые возможности для солнечных элементов с двойным переходом.

Для получения наилучшего результата иногда нужно не добавлять, а удалять. Согласно недавней работе Университета Райса по двумерным перовскитам, это правило также может применяться к тандемным фотоэлектрическим элементам. Ученые Техасского университета в сотрудничестве с коллегами из США и Франции создали 2D-кристалл, более стабильный, чем трехмерная версия, но обладающий столь же хорошей светопоглощающей способностью. Результат, который, по мнению научной группы, может предложить существенные достижения в многопереходной солнечной технологии.

Перовскит в солнечном тандеме

Использование перовскита оказалось последней важной тенденцией в фотоэлектрической области с двойным или тройным переходом. Причина проста: этот класс синтетических материалов может быть спроектирован так, чтобы иметь широкую запрещенную зону (при 1,7–1,8 эВ), эффективно улавливая свет высокой энергии и пропуская свет с более низкой энергией. В тандемной архитектуре это выражается в передней ячейке на основе перовскита, которая поглощает фотоны оранжевой, желтой, зеленой, синей и УФ-части спектра, поверх второй ячейки, обычно изготовленной из кремния (с очень узкой запрещенной зоной), которая поглощает ближний инфракрасный диапазон.

Идеальный брак на бумаге, а не на самом деле. Для этих комбинаций наилучший результат с точки зрения ширины запрещенной зоны всегда получался с трехмерными перовскитами. Проблема? Они чрезвычайно чувствительны к влажности, и этот фактор определяет их прогрессирующее разрушение.

«Мягкость» 2D-перовскитов

Однако двумерные перовскиты более устойчивы. В структуре присутствуют длинные гидрофобные органические цепи, которые действуют как спейсеры и отталкивают молекулы воды. Жаль, что в отличие от полностью неорганических полупроводников, таких как кремний, которые имеют тенденцию образовывать симметричные и высокоупорядоченные кристаллические структуры, структура 2D-перовскита – с органическими и неорганическими компонентами – представляет собой более мягкую решетку и, следовательно, более подвержена искажениям. На практике отсутствие симметрии препятствует движению электрических зарядов и эффективности самой ячейки.

Многослойный двумерный перовскит

Команда исследователей под руководством Адитьи Мохите из Университета Райса разработала многослойный 2D-перовскит, который не только не имеет таких искажений, но и «самая близкая к идеальной симметрии вещь, которую можно найти в кристалле». «И, насколько нам известно, – добавляет Мохите – Впервые это было продемонстрировано в многослойной двумерной перовскитной системе при комнатной температуре»..

Для этого команда вдохновилась структурой 3D-перовскита FAPbI3 и создала улучшенную 2D-версию. Используя специальные протоколы кристаллизации и специально разработанные органические молекулы, они смогли получить точные тетрагональные пространственные группы, сократив расстояние между слоями всего до 4 Å.

Таким образом, транспортные свойства экситонов резко улучшаются как с точки зрения длины диффузии, так и скорости движения. «Весь поглощаемый свет образует эти экситоны, которые затем могут распространяться через материал на расстояние более двух микрометров без потери энергии»— объясняет Мохите. «Это очень важный результат, потому что не многие материалы способны на такое».

И не только это. Новый подход позволил впервые получить более толстые, многослойные формы, изменив способ взаимодействия материала со светом. Важнейший элемент, поскольку двумерные однослойные перовскиты обычно имеют запрещенную зону, ограничивающую поглощение только фиолетового света (2,2–2,5 эВ).

По мере наложения большего количества слоев ширина запрещенной зоны уменьшается: с тремя слоями она достигает 1,7–1,8 эВ, что позволяет захватывать большую часть солнечного спектра.

Новые двумерные перовскиты, испытания

Ученые протестировали этот материал в прототипах фотодетекторов с автономным питанием — устройств, преобразующих свет в электрические сигналы. Благодаря новому перовскиту фотодетекторы оказались более чувствительными и реактивными, чем фотодетекторы, изготовленные из другого двумерного перовскита.

«Одной из основных текущих проблем для тандемных фотоэлектрических устройств являются материалы с широкой запрещенной зоной», сказал Фаиз Мандани, бывший докторант Университета Райса и соавтор исследования. «Двумерные перовскиты, которые мы разрабатываем, обладают большей стабильностью. И этот конкретный 2D-перовскит имеет запрещенную зону, которая почти идеальна для соединения с кремнием или любым другим перовскитом или полупроводником».

Исследование Диффузия экситонов за пределы 2 мкм обеспечивается максимальной симметрией в двумерных перовскитах. был опубликован на Природный синтез.