Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ подробно изучили взаимодействие гибридных перовскитов с фокусированным лазерным излучением и усовершенствовали метод сборки перовскитных солнечных батарей при помощи лазерной резки. Результаты работы были опубликованы в престижном международном журнале ACS Applied aterials & Interfaces.

Гибридные галогенидные перовскиты — новый класс полупроводниковых материалов, которые успешно используются в качестве светопоглощающего материала в солнечных батареях нового поколения — так называемых перовскитных солнечных элементах. Рекордный КПД таких солнечных элементов сегодня составляет более 25%, превышая рекордные значения для наиболее распространенных солнечных элементов на основе поликристаллического кремния.

При создании солнечных батарей большой площади распространенным подходом является разрезание большого листа солнечной батареи на более узкие полоски и их последовательное соединение – это позволяет повысить напряжение и КПД получаемого модуля. Однако при увеличении площади солнечной батареи КПД панели снижается из-за так называемых «мёртвых зон» – областей, где происходит последовательное соединение солнечных элементов и которые не участвуют в генерации электрического тока. Единственный способ уменьшить вклад мёртвых зон в общее падение КПД солнечной панели – уменьшение физического размера мёртвой зоны за счёт усовершенствования технологии лазерной резки материалов солнечного элемента.

Перовскитный солнечный элемент состоит из нескольких слоёв, при этом требуется разрезать строго определённые слои, не затронув остальные. Для эффективной реализации технологии лазерной резки необходимо глубокое понимание процессов, протекающих в гибридных перовскитах под действием лазерного излучения. В частности, излучение лазера может провоцировать каскад фотохимических реакций в глубине и на поверхности материала с выделением газообразных продуктов распада, затрудняющих управление параметрами резки.

В настоящей работе коллектив авторов провел детальное исследование протекающих термо- и фотохимических реакций под действием мощного лазерного излучения методом спектроскопии комбинационного рассеяния и определили основные продукты распада перовскита: молекулярный йод, полииодиды, иодид и оксид свинца. Учёные также обнаружили, что летучие продукты распада конденсируются на поверхности плёнок перовскита рядом с местом облучения лазерным пучком и приводят к ухудшению морфологии и изменению химического состава светопоглощающего материала. В результате размер «мёртвых зон» в процессе лазерной резки гибридных перовскитов увеличивается.

Сотрудники лаборатории предложили способ минимизации нежелательных процессов деградации плёнок перовскита с помощью применения направленного потока инертного газа в области резки. Данное решение позволило не только значительно снизить концентрацию газообразных продуктов распада перовскита вблизи поверхности пленки, но и избавиться от продукта окисления свинца (оксида свинца (II)), который является тугоплавким и накапливается в области облучения перовскита.

«Проведенное исследование позволило выявить фундаментальные особенности фото- и термохимической деградации гибридных перовскитов под действием лазерного излучения, и предложить практический подход по оптимизации методики лазерной резки гибридных перовскитов», — рассказал руководитель исследования Алексей Тарасов, кандидат химических наук, заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ и старший научный сотрудник химического факультета МГУ.

Работа выполнена при участии исследователей Пекинского технологического института (BIT) и Берлинского технического университета (TU Berlin), а также при финансовой поддержке РФФИ (проект №19-53-53028/19).