Солнечная энергетика будущего во многом зависит от тандемных элементов, в которых материалы с разной шириной запрещенной зоны работают вместе для  использования более широкого диапазона солнечного спектра. Одним из наиболее перспективных направлений считается сочетание перовскита и кремния. Однако создание стабильных широкозонных перовскитов, необходимых для верхнего элемента тандема, остается сложной задачей. Международная исследовательская группа, объединяющая ученых из Китая, России и Соединенных Штатов, предложила элегантное решение этой проблемы, используя молекулу-модификатор, которая кардинально улучшает качество перовскитной пленки. Результаты их работы опубликованы в журнале Energy & Environmental Science (IF=31.0).

Проблема широкозонных перовскитов

Широкозонные перовскиты, содержащие смесь иодид- и бромид-анионов, часто получаются неоднородными при использовании экономичного двухстадийного метода осаждения из раствора. Ионы йода и брома распределяются неравномерно, а кристаллы растут слишком быстро, что приводит к образованию дефектов, пустот и внутренних напряжений в пленке. Это снижает не только эффективность преобразования света, но и долговечность устройства, что особенно критично для их коммерческого применения.

Молекулярный регулятор кристаллизации

Исследователи предложили добавлять в раствор неорганических предшественников (смесь иодида и бромида свинца) небольшое количество органического соединения — трис(пентафторфенил)борана (BCF). Эта молекула действует как многофункциональный регулятор, управляющий процессом кристаллизации за счет двух типов взаимодействий.

Во-первых, электронодефицитный атом бора в центре молекулы BCF прочно связывается с галогенид-ионами (йодом и бромом) с образованием комплексных анионов [BCF-I]^–, [BCF-Br]^–. Это предотвращает миграцию анионов и подавляет образование йод-дефицитных и йод-обогащенных областей, обеспечивая равномерное распределение галогенид-анионов в объеме материала.

Во-вторых, атомы фтора в составе таких комплексных анионов образуют водородные связи с органическими катионами, такими как формамидиний и метиламмоний. Это замедляет реакцию между органической и неорганической составляющими перовскитной пленки, позволяя кристаллам перовскита расти медленнее и формировать более крупные и совершенные зерна.

В результате формируется плотная, однородная пленка с минимальным количеством дефектов и внутренних напряжений. Интересно, что в процессе кристаллизации молекулы BCF мигрируют к границам зерен и на поверхность пленки, где они подавляют образование дефектов, препятствуя миграции ионов и предотвращая деградацию материала под действием света.

Экспериментальное подтверждение и результаты

С помощью комплекса методов анализа, включая ИК-спектроскопию, ЯМР, РФЭС и теоретические расчеты, ученые подтвердили наличие обоих типов взаимодействий и предложили детальный механизм их влияния на кристаллизацию.

Внедрение этой добавки привело к впечатляющим результатам:

• Широкозонные (1.68 эВ) перовскитные солнечные элементы продемонстрировали рекордный для двухстадийного метода КПД 23.49% (сертифицированный 22.73%) с высоким напряжением холостого хода 1.291 В.
• Впервые широкозонный перовскит, полученный двухстадийным методом, был успешно интегрирован в монолитный тандемный элемент с текстурированным кремнием. Результат — КПД 31.12%, что является наивысшим показателем для тандемных элементов, изготовленных таким способом.
• Однопереходные перовскитные фотоэлементы показали выдающуюся стабильность, сохранив более 90% начальной эффективности после 750 часов непрерывной работы. Тандемные элементы также показали высокую стабильность, сохранив более 90% начальной эффективности после 500 часов непрерывной работы.

Значение для будущего энергетики

Разработка экономичного и масштабируемого метода производства высокоэффективных тандемных элементов — ключевой шаг на пути к коммерциализации этой технологии. Тандемные перовскит-кремниевые элементы имеют теоретический предел эффективности около 45%, что значительно превышает возможности традиционных кремниевых панелей.

Предложенный подход демонстрирует, как глубокое понимание химических процессов на молекулярном уровне позволяет решить ключевые технологические проблемы. Стратегия использования BCF для контроля кристаллизации открывает путь к созданию не только высокоэффективных, но и стабильных перовскитных солнечных элементов, приближая новую эру в солнечной энергетике.

Shizi Luo,  Daxiong Liu,  Xiang Deng,   Zhuoneng Bi,  Shuguang Cao,  Tongjun Zheng, Liyao Xiong, Hao Li, Ning Li, Lavrenty G. Gutsev, Nikita A. Emelianov, Victoria V. Ozerova, Nikita A. Slesarenko, Alexander F. Shestakov, Sergey M. Aldoshin, Gennady L. Gutsev, Pavel A. Troshin, Bochuan Yang, Zhibo Zhaoc  and  Xueqing Xu // Boron–halide interactions for crystallization regulation of a 1.68 eV wide-bandgap perovskite prepared via a two-step method // Energy & Environmental Science, 2025, Q-1, IF=31.0

https://doi.org/10.1039/D5EE03984C