Австралійські вчені замінили в перовскитному сонячному елементі транспортний шар діоксиду титану на шар оксинітрида титану. Завдяки цьому концентрація носіїв заряду в шарі зросла на два порядки, фактор заповнення збільшився до 86 відсотків, а ефективність сонячного елемента площею в один сантиметр - до 23,33 відсотка. Для перовскитних сонячних елементів такої площі це рекорд. Результати дослідження опубліковані в журналі
Щоб сонячний елемент ефективно працював, недостатньо забезпечити поглинання світла і генерацію носіїв заряду. Необхідно також швидко розділити заряди, не даючи їм рекомбінувати, і відправити електрони до аноду, а дірки до катоду. У перовскитних сонячних елементах для вилучення електронів найчастіше використовують шар широкозонного напівпровідника - діоксиду титану TiO2. Під час роботи сонячного елемента цей шар знаходиться зверху від активного шару, тому його роблять прозорим.
Зазвичай він складається з двох частин: спочатку наносять тонкий (компактний) шар діоксиду титану, а поверх - більш пухкий і об'ємний мезопористий шар з наночастинок діоксиду титану, який служить підкладкою для активного перовскитного шару. Однак властивості діоксиду титану неоптимальні: рухливість електронів у цьому матеріалі обмежена, а іноді його частинки виступають як центри безизлучної рекомбінації. Тому вчені постійно шукають способи, якими можна цей матеріал поліпшити.
Тиждень тому ми писали про роботу корейських і швейцарських вчених, які замінили наночастинки оксиду титану в мезопористому шарі на наночастинки оксиду олова, щоб уповільнити безізвивальну рекомбінацію і витягувати електрони з активного шару більш ефективно. Хіміки під керівництвом Кайлі Кечпол (Kylie R. Catchpole) з Австралійського національного університету пішли іншим шляхом. Мезопористий шар діоксиду титану вони залишили без змін, а компактний шар вони вирішили виготовити з оксинітрида титану TiOxNy. Оксинітрид титану - це родинний діоксиду титану напівпровідниковий матеріал. Хоча він широко застосовується у фотокаталізі, в перовскитних сонячних елементах досі його майже не використовували. Спочатку Кечпол і її колеги отримали серію плівок оксинітрида титану на прозорих проведених підкладках. Для цього вони нанесли на підкладки шар нітрида титану TiN, а потім обпалили його в атмосфері кисню при температурах від 350 до 550 градусів Цельсія. У процесі випалу нітрид частково окисляється до оксинітрида.
Всі отримані плівки мали однакову товщину близько 50 нанометрів і схожу морфологію, а ось хімічний склад у них помітно відрізнявся. Рентген-фотоелектронна спектроскопія показала, що зі зростанням температури випалу азоту в плівках ставало менше - в плівках, які не випалювали співвідношення N/Ti було 0,62, а в плівках, обпалених при температурі 550 градусів Цельсія, воно знизилося до 0,07. Крім того, у зразках, які випалювали при температурі 450 градусів Цельсія і вище, титану в ступені окислення + 3 (як в TiN) вже не залишалося, весь титан переходив у ступінь окислення + 4.
Діоксид титану є напівпровідником n-типу, тобто основний тип носіїв заряду в ньому - електрони. Добавки азоту і титану в ступені окислення + 3 для діоксиду титану є донорними домішками, тому автори очікували, що в плівках оксинітрида кількість носіїв заряду буде вищою, ніж у стандартному діоксиді титану. Так і вийшло - щільність вільних носіїв заряду в плівках знижувалася зі зменшенням кількості азоту (тобто з підвищенням температури випалу - див. малюнок). Проте навіть біля плівок, які обпалювалися при температурі 550 градусів Цельсія, щільність носіїв заряду все ще була майже на два порядки вищою, ніж у стандартного недопованого оксиду титану (3.4 ст.1 1016 см ‑ 3 проти 4.5 ст.1 1014 см ‑ 3). Разом із щільністю носіїв заряду зростала і провідність плівок - тобто найкращі транспортні властивості показували ті плівки, які обпалювалися при температурі 350 градусів Цельсія.
Однак у таких плівок виявився несподіваний недолік - вони поглинали помітно більше видимого світла. Всі плівки мали приблизно однакову ширину забороненої зони, тому автори пояснили різницю в поглинанні більш високим поглинанням на вільних носіях заряду. Поглинання світла в транспортному шарі для роботи сонячного елемента невигідно - в такому випадку менше світла дістається самому перовскиту. Тому для виготовлення сонячних елементів автори вибрали плівки з проміжною кількістю азоту, які випалювалися при температурі 500 градусів Цельсія.
Кечпол та її колеги зробили сонячні елементи площею один квадратний сантиметр. Поверх шару оксинітрида титану вони нанесли мезопористий шар оксиду титану, потім перовскитний шар, дирочно-транспортний шар і, нарешті, золотий катод.
Сонячні елементи з транспортним шаром TiOxNy показали ефективність 23,33 відсотка. Це рекорд для комірок площею в один квадратний сантиметр.
Заміна діоксиду титану на оксинітрид покращує всі характеристики сонячних елементів - ефективність, струм і напругу - але найбільше від такої заміни зростав фактор заповнення. Цей параметр змінюється у відсотках і показує, наскільки форма вольт-амперної кривої сонячного елемента близька до прямокутної, тобто наскільки поведінка сонячного елемента близька до поведінки ідеального діоду. Фактор заповнення сонячних елементів з оксинітридом сягав 86 відсотків, тоді як у контрольних зразків з діоксидом титану він не перевищував 80 відсотків. Такі значення фактора заповнення - рекорд вже для перовскитних сонячних елементів будь-якого розміру.
Автори пояснили поліпшення не тільки кращою провідністю електрон-транспортного шару, але і зменшенням ефекту збіднення - зниження концентрації електронів на кордоні транспортного та активного шару порівняно з рівноважною.
Дослідження першоскітних сонячних елементів не стоять на місці. Так, минулого літа американські хіміки знайшли більш простий і швидкий спосіб підготовки дирочно-транспортного шару в перовскитному сонячному елементі.