Висмут — стабильная альтернатива изготовлению перовскитных солнечных элементов без свинца

Испанская научная группа, в которой работают исследователи из Университета Рей Хуана Карлоса (URJC), из Института материаловедения (CSIC), из физического факультета Мадридского университета Комплутенсе (UCM) и из ETS Промышленный инжиниринг Политехнического университета Мадрида (UPM), разработала новый материал на основе, не содержащей свинца, и более стабильной гибридного перовскита.

Гибридные перовскиты породили большие ожидания в последние годы, поскольку они представлены в качестве гораздо более дешевой альтернативы существующим технологиям изготовления тонкопленочных солнечных элементов (TeCd, CIGS), без ущерба для эффективности. Однако его коммерциализация представляет две фундаментальные проблемы: они обычно содержат в своей структуре свинец, высокотоксичный элемент, несовместимый с «зелеными технологиями», и их низкую стабильность, генерирующую йодид свинца в процессе его разложения. 

Эта научная группа нашла решение этой проблемы. Её главная цель состояла в том, чтобы найти менее загрязняющую альтернативу для снижения токсичности, также стремясь повысить конечную стабильность гибридного соединения перовскита, используемого при изготовлении материалов, из которых состоят солнечные элементы. 

«В этой работе мы придерживались другой стратегии, используя висмут в качестве допингового элемента. Висмут является изоэлектронным свинцовым элементом, то есть с таким же количеством валентных электронов, с аналогичным ионным радиусом и более низкой токсичностью», — объясняет Кармен Койя, руководитель Лаборатории определения характеристик органических устройств (LabCADIO) URJC.

В других испытаниях стратегии, которые использовались для частичной замены свинца другими элементами, такими как олово (Sn2 +), кадмий (Cd2 +) или кальций (Ca2 +), привели к гораздо худшим фотоэлектрическим характеристикам, чем те, которые были получены в перовскитовых, основаных исключительно на свинце (Pb2 +). 

«Мы разработали протокол допинга, позволяющий вводить до 5 процентов висмута в кристаллическую структуру перовскита. Таким образом, с помощью таких методов, как дифракция рентгеновских лучей или сканирующая электронная микроскопия, среди прочего, мы оценили композиционные, морфологические и структурные изменения », — объясняет исследователь.

Исследователи смогли охарактеризовать эти материалы, получив удивительные оптические свойства. Полученные результаты позволили рассчитать максимальное количество висмута, которое может частично заменить свинец в перовскитовой ячейке без искажения ее кристаллической сети, а также влияние, которое висмут оказывает на его структуру.

 «Мы интерпретировали эти результаты с помощью модели, которая включает диффузию светоиндуцированного висмута и последующее преобразование материала в оксийодид висмута. Конечным эффектом является неожиданное повышение устойчивости к облучению, в 1000 раз превышающее стабильность материала без легирования», — подчеркивает Кармен Койя. 

Это исследование проливает свет на роль, которую играет диффузия ионов материала в поведении устройства, что позволит лучше контролировать его физические свойства.

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ