Повышение эффективности и стабильности перовскитных солнечных элементов на основе метиламмонийсвинцового иодида с использованием предшественников из монокристаллов

Преобразование света в энергию — в помещении и на улице

Солнечные панели уже распространены на крышах домов, но новый класс материалов — перовскиты — обещает ещё большую эффективность и более дешёвое производство. Один из самых ранних и простых перовскитов, известный как MAPbI3, приобрёл репутацию слишком быстро разрушающегося, особенно под воздействием света и тепла. В этом исследовании прежнее представление пересматривают и показывают, что умное изменение способа приготовления материала может значительно повысить как его выходную мощность, так и долговременную стабильность, открывая путь к надёжной солнечной энергии не только на улице, но и при комнатном освещении для мелкой электроники.

Почему эти солнечные материалы важны

Перовскитные солнечные элементы привлекательны тем, что они очень эффективно поглощают солнечный свет и их можно получать из жидких растворов при относительно низких температурах. MAPbI3 особенно прост в изготовлении и обладает сбалансированными свойствами, но многие ранние отчёты называли его слишком хрупким для реального применения. Такое заключение в значительной степени основывалось на плёнках, полученных по типичной рецептуре, которая смешивает два исходных солевых компонента в растворителе и даёт им прореагировать на поверхности. В таких обычных плёнках почти всегда остаются мелкие остатки одной соли — иодида свинца. Эти остатки долгое время считали либо незначительным дефектом, либо даже полезной особенностью, что могло скрывать истинный потенциал MAPbI3.

Новый способ формирования светопоглощающего слоя

Исследователи подошли к проблеме с её истока: к жидкой «черниле», из которой наносится перовскитный слой. Вместо того чтобы смешивать отдельные ингредиенты, которые могут не до конца прореагировать, они сначала выращивали крупные чистые монокристаллы MAPbI3, а затем растворяли эти кристаллы для приготовления покрытия. Поскольку кристаллы уже имеют точный баланс компонентов, полученные плёнки практически не содержат остаточного иодида свинца и других нежелательных побочных продуктов. Когда такие плёнки из монокристаллов использовали в стандартных структурах солнечных элементов, устройства достигали коэффициента преобразования энергии 21,55% по сравнению с 18,61% для элементов, изготовленных из обычных растворов — существенный прирост, достигнутый в основном за счёт более высокого напряжения и более благоприятной формы вольт-амперной кривой.

Чище плёнки, меньше скрытых дефектов

Подробные измерения показали, почему метод на основе монокристаллов так хорошо работает. Микроскопия обнаружила, что в обычных плёнках много маленьких ярких пятнышек, сосредоточенных на границах между зернами; эти участки соответствуют сигналам от остатков иодида свинца. Напротив, новые плёнки формируют плотные, гладкие слои с однородными зернами и без очевидных скоплений примесей. Электрические тесты, направленные на подсчёт внутренних дефектов, показали, что улучшенные плёнки имеют гораздо меньшую плотность электронных ловушек, где заряды могут застревать и теряться. Другие измерения выявили более сильные внутренние электрические поля и снижение нежелательных утечек тока. В совокупности эти характеристики обеспечивают более эффективное разделение и перенос зарядов, создаваемых при попадании света на солнечный элемент.

Стабильность и скрытая роль оставшихся солей

Самое большое удивление вызвал разный ход старения двух типов плёнок. Не защищённые элементы, изготовленные из обычных растворов, быстро теряли характеристики, опускаясь ниже половины исходной эффективности. Те же, что сделаны из плёнок, полученных из монокристаллов, сохраняли 98% начальной мощности даже спустя примерно шесть недель при комнатном воздухе. Отслеживая изменения в структуре кристаллов и в химии поверхности, команда связала эту разницу с циклами химических реакций, запускаемых влагой и светом. Остаточный иодид свинца может реагировать с водой, образуя новые соединения и реактивную кислоту, которая затем атакует сам перовскит. Под освещением те же остатки могут распадаться далее до металлического свинца и йодных видов, действующих как катализаторы, ускоряющие распад материала и выедание пустот в пленке. Когда в исходной плёнке почти нет таких остатков, эти разрушительные циклы в значительной степени подавляются.

От лабораторных образцов к практичным мини-модулям

Чтобы показать, что метод масштабируется за пределы крошечных тестовых элементов, исследователи изготовили мини-модули размером 5×5 сантиметров, более похожие на реальные изделия. Используя подход с монокристаллами, эти большие устройства достигали почти 20% эффективности при ярком солнечном свете и близко к 40% при типичном внутреннем светодиодном освещении, превосходя модули, сделанные по обычной технологии. Поскольку новые плёнки химически и структурно более однородны, они хорошо подходят для методов производства больших площадей, сохраняя при этом высокую производительность.

Что это значит для повседневных технологий

Начав с заранее сформированных, ультра-чистых перовскитных кристаллов вместо исходных ингредиентов, эта работа показывает, что MAPbI3 не так уж и неустойчив по своей природе, как считалось ранее. Большая часть его плохой репутации проистекает из остаточного иодида свинца, образующегося в процессе стандартной обработки, который тихо запускает сеть реакций, управляемых влагой и светом, и со временем разъедает солнечный слой. Удалите этот осадок, и тот же простой компаунд способен обеспечить высокую и долговременную эффективность как в маленьких элементах, так и в больших модулях. Это делает MAPbI3 сильным кандидатом для питания внутренних датчиков, беспроводных гаджетов и другой электроники, которой требуется надёжный сбор энергии при слабом освещении без сложных рецептур материалов.

Цитирование: Kunnathumpeedika, S., Kattoor, V. & Wei, TC. Enhancing performance and stability of methylammonium lead iodide-based perovskite solar cells using single-crystal precursors. Commun Mater 7, 117 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01123-y

Ключевые слова: перовскитные солнечные элементы, внутреннее фотовольтаическое питание, стабильность материалов, предшественники из монокристаллов, примеси иодида свинца