Для повышения долговечности перовскитных солнечных элементов применяются пассиваторы — вещества, которые создают защитный слой на поверхности материала. Однако высокие концентрации большинства пассиваторов, как правило, ухудшают характеристики элемента. В новом исследовании ученые из США и Китая обработали пленку перовскита молекулами терпиридина. Этот пассиватор защищал материал при высоких концентрациях без снижения эффективности. Благодаря новому методу солнечные элементы достигли рекордной эффективности 25,24 % и сохранили почти 90 % своей первоначальной производительности даже после более чем 2664 часов воздействия света.

Один из способов повысить эффективность солнечных батарей на основе перовскита — устранить дефекты в их структуре. Для этого ученые используют специальные вещества, которые называются пассиваторами. Эти вещества заполняют дефекты, улучшая работу батареи. Однако существует проблема: защитный слой, создаваемый пассиваторами, быстро разрушается под воздействием света и тепла. Это происходит потому, что количество пассиватора подбирается для новых, только что изготовленных батарей, и не учитывает дефекты, которые появляются в процессе работы. Если добавить слишком много пассиватора, производительность элемента также снизится.

Ученые выяснили, что добавление большого количества специального вещества (π-сопряженного пассиватора) повышает долговечность перовскитовых солнечных элементов. Эффективность этого вещества не зависит от его концентрации, то есть даже при значительном увеличении количества пассиватора производительность солнечной батареи не снижается.

В качестве пассиватора рассматривались три молекулы органических оснований Льюиса — пиридин, бипиридин и терпиридин. Оказалось, что терпиридин обладает наибольшим π-сопряжением — особым типом связи между атомами в молекуле, который обеспечивает большую стабильность и способность к взаимодействию с другими веществами. Именно терпиридин менее всего зависел от концентрации и продемонстрировал самую эффективную пассивацию.

Эксперименты показали, что обработка на основе π-сопряженных молекул терпиридина может надолго нейтрализовать поверхностные дефекты. При этом она не вредит перовскиту даже при высоких концентрациях и не снижает производительность созданных на его основе солнечных элементов.

Избыточные молекулы пассиватора способны взаимодействовать с новыми дефектами, которые появляются в процессе эксплуатации устройства.

После 2664 часов воздействия света сохранилось 90 % первоначальной эффективности, а после 2976 часов нагрева — 82 %. Экспериментальные устройства имели плотность тока короткого замыкания 25,97 мА/см², напряжение холостого хода 1,19 В и коэффициент заполнения 81,65 %. Ячейки достигли эффективности преобразования энергии 25,24 %.

Авторы исследования опубликовали подробные инструкции, чтобы другие ученые могли повторить этот эксперимент и проверить, подойдет ли он для разных типов перовскитных материалов.