В исследованиях перовскитных солнечных элементов поиск эффективных и стабильных материалов для транспорта дырок остаётся одной из ключевых задач. Недавняя работа, выполненная коллективом учёных Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН совместно со Сколковским институтом науки и технологий, показывает, что простая термическая обработка органических дырочно-транспортных материалов способна существенно улучшить их функциональные характеристики в составе устройства.

Эффективность перовскитного солнечного элемента во многом определяется тем, насколько быстро и без потерь фотогенерированные дырки извлекаются из перовскитного слоя и достигают электрода. Дырочно-транспортный материал выполняет здесь роль связующего звена. Идеальный материал должен не только обладать подходящим энергетическим уровнем, но и формировать плотную, однородную плёнку, подавляющую рекомбинацию зарядов на границе раздела. Традиционные допированные дырочно-транспортные материалы, будучи широко распространёнными, тем не менее создают проблемы стабильности из-за гигроскопичных допантов, что побуждает исследователей искать альтернативы — в частности, среди структурно определённых органических малых молекул, пригодных для растворной обработки.

В работе, опубликованной в журнале Sustainable Energy & Fuels, исследователи синтезировали две донорно-акцепторные малые молекулы, обозначенные как Th-TBT и Ph-TBT, и систематически оценили их потенциал в качестве дырочно-транспортных слоев в перовскитных элементах p–i–n архитектуры. Обе молекулы близки по структуре и различаются лишь боковыми фрагментами, однако это различие после термической обработки приводит к принципиально разному поведению пленок в устройстве.

Наиболее яркий результат получен для Ph-TBT. В исходном состоянии (без отжига) устройство на его основе демонстрировало весьма скромные показатели: коэффициент преобразования энергии составлял всего 6,7%, а фактор заполнения — 36,8%. Однако после термической обработки эффективность возросла почти втрое — до 17,1%, при заметном улучшении напряжения холостого хода и фактора заполнения. Для Th-TBT улучшение оказалось более умеренным, но стабильным: после отжига коэффициент преобразования достиг 17,9%, что свидетельствует о хорошей воспроизводимости. Это сравнение показывает, что термически индуцированная морфологическая реорганизация способна активировать скрытый потенциал дырочно-транспортного материала, а тонкая настройка молекулярной структуры определяет, насколько сильным будет этот эффект.

Чтобы понять природу улучшения, авторы использовали анализ тушения фотолюминесценции и зависимость напряжения холостого хода от интенсивности света. Результаты указывают на то, что термическая обработка снижает рекомбинацию с участием ловушек и улучшает извлечение зарядов на границе раздела перовскита и транспортного слоя. Иными словами, вызванная отжигом структурная перестройка не только оптимизирует микроскопическую морфологию плёнки, но и, по существу, очищает пути транспорта зарядов.

Эта работа передаёт ясный сигнал: для органических малых молекул, используемых для транспорта дырок, конечные характеристики устройства определяются не только самой молекулярной структурой, но и постобработкой плёнки. Термически контролируемая самоорганизация как метод регулирования проста в исполнении и не требует введения дополнительных добавок; её эффективность здесь подтверждена экспериментально. Разумеется, от лабораторных цифр эффективности до практически значимых стабильных устройств предстоит решить немало инженерных вопросов — например, связанных с температурным окном и воспроизводимостью термообработки, а также с долговременной стабильностью морфологии в рабочих условиях. Но как стратегия дизайна этот подход, несомненно, заслуживает внимания в области перовскитной фотовольтаики.

В работе принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: М. Сидельцев,  М.  Агапитова, А. Пирязев, Д. Черняев, Е. Сяглова,  Д. Иванов, А Аккуратов

Maxim E. Sideltsev^, , Maria M. Agapitova, Alexey A. Piryazev, Dmitriy A Chernyayev, Ivan A Zhukov, Elizaveta D. Siaglova, Marina M. Tepliakova, Dimitriy A. Ivanov, Alexander V. Akkuratov // Organic semiconductors with thermally controlled morphology as promising hole-transporting materials for p–i–n perovskite solar cells //  Sustainable Energy and Fuels,  том 10, издание 17, IF=4.6, Q-2

https://doi.org/10.1039/d6se00492j