Китайські та американські матеріалознавці запропонували занурювати перовскитні сонячні елементи в гарячий анізол. Такий спосіб дозволяє швидше нагрівати перовскитні шари і сприяє зростанню великих кристалів. У результаті сонячні елементи стають ефективнішими і стабільнішими, а процес їх отримання - більш відтворюваним. Результати дослідження опубліковані в журналі
Однією з головних переваг перовскитних сонячних елементів вважається простота їх виготовлення. На відміну від кремнієвих осередків, для яких потрібен кремній, одержуваний в результаті багатостадійного процесу очищення, перовскитні комірки можна виготовити за допомогою найпростішого лабораторного обладнання. Концентрований розчин іодиду свинцю PbI2, іодиду метиламонію MAI та іодиду формамідінію FAI наносять на підготовлені методом спін-коатингу. Підкладки нагрівають на лабораторній електроплитці до температури 100-180 градусів Цельсія - це потрібно, щоб перовскит повністю закристалізувався, а залишки розчинника випарувалися. Після цього активний шар майбутнього сонячного елемента готовий до роботи, залишається лише нанести зверху транспортний шар і контакти.
Проте навіть у цьому простому процесі є безліч нюансів. По-перше, щоб сонячний елемент був ефективним, потрібні великі кристаліти перовскіту. Щоб досягти цього, вчені намагаються збільшити швидкість зростання кристалів і одночасно придушити утворення нових центрів кристалізації. Крім того ефективні сонячні елементи виходять з перовскітів складного складу - найпопулярніший перовскіт має склад FA1-x-yMAxCsyPbI3-zBr і містить п'ять типів катіонів і два типи аніонів. Початковий розчин для такого перовскіту може складатися з шести різних солей, і всі вони вступають в реакцію з трохи різною швидкістю. Тому, якщо нагрівати підкладку недостатньо швидко, склад перовскиту в центрі і на краях підкладки буде відрізнятися. І нарешті, кристалізовані перовскіти дуже чутливі до забруднень: наприклад, слідам води та інших розчинників в атмосфері. Все це робить процес отримання перовскитних комірок погано відтворюваним: на їх ефективність впливає розмір і якість підкладок, погодні умови в лабораторії та інші фактори.
Китайські та американські матеріалознавці під керівництвом Хуаня Піна Чжоу (Huanping Zhou) з Пекінського Університету запропонували отримувати перовскитні шари за допомогою випалу в гарячій рідині (Liquid Medium Annealing, LMA). Автори припустили, що занурення в гарячу рідину допоможе нагрівати підкладки швидше і запобігти їм від забруднень.
Чжоу і його колеги працювали з перовскітом складу (Cs0.05 (FA0.95MA0.05) 0.95Pb (I0.95Br0.05) 3. Вони так само готували розчин солей в діметилсульфоксиді і наносили його на підкладки методом спін-коатингу, на три хвилини опускали підкладки в ємність з анізолом, який був попередньо розігрітий до 150 градусів Цельсія. Анізол автори вважають практично ідеальним реагентом для LMA-обробки - він добре проводить тепло, має низьку в'язкість, стабільний при високих температурах і не взаємодіє з перовскітом.
Як і очікували автори, швидкість нагріву при LMA-обробці виявилася помітно вищою - зразок в анізолі нагрівався до 141 градуса Цельсія за чотири секунди, а на стандартній електроплитці - тільки за тринадцять секунд. Висока швидкість нагріву допомогла вченим отримати однорідний за складом перовскитний шар.. Крім того виявилося, що нагрівання в анізолі допомагає позбутися слідів розчинника. Чжоу і його колеги особливо відзначили, що при LMA-обробці нагрів відбувається не знизу вгору, а з усіх боків рівномірно - це створює кращі умови для зростання кристалів. За допомогою LMA-обробки авторам вдалося отримати кристаліти діаметром 2,25 мікрометра - майже втричі більше, ніж у контрольних зразках, які випалювали на електроплитку.
Спочатку автори випробували новий метод на стандартних лабораторних сонячних елементах площею 0,08 см2, і отримали комірки з ефективністю 24,04 відсотка, які зберігали 0,95 своїй вихідній ефективності після 2000 годин роботи. Більш великі комірки площею в один квадратний сантиметр мали ефективність трохи нижче - 23,15 відсотка. Стабільність виявилася теж досить гідною - через 1120 годин роботи осередку втратили лише десяту частину ефективності. Автори відзначають, що раніше нікому не вдавалося отримати комірки сантиметрового і міліметрового розміру з такою незначною різницею в ефективності, тобто LMA-обробка допомагає зробити процес більш відтворюваним. Щоб підтвердити останню тезу, вчені провели ще один експеримент. Протягом року вони готували по дві партії сонячних елементів - за допомогою LMA-обробки, і за допомогою випалу на електроплитку. Ефективність осередків, приготованих на електроплитку, помітно змінювалася залежно від погодних умов: найбільше вона була взимку в суху і прохолодну погоду, а нижче всього - влітку, в спекотну і вологу погоду. Ефективність комірок, які робили за допомогою LMA-обробки, залишалася високою незалежно від погодних умов.
Автори сподіваються, що надалі їх метод можна буде використовувати і для виготовлення промислових перовскитних модулів. У червні ми писали про новий простий спосіб отримання транспортних шарів для перовскитних сонячних елементів, який запропонували американські матеріалознавці. Виявилося, що замість тривалого витримування можна пропустити через розчин вихідного сполуки вуглекислий газ протягом однієї хвилини. Цей спосіб дозволяє також позбутися надлишків іонів літію, тому сонячні елементи стають стабільнішими.