Команда ученых из МИЭМ ВШЭ, Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и Университета Южной Калифорнии с помощью технологий машинного обучения нашла способ избежать внутренних дефектов и увеличить эффективность перовскитных солнечных элементов. Результаты исследования могут применяться для разработки более эффективных и долговечных материалов.
Исследование проводилось на двойном перовските Cs2AgBiBr6. Статья опубликована в журнале Journal of Physical Chemistry Letters. Альтернативная энергетика привлекает внимание ученых и инвесторов из-за ее возобновляемости и чистоты. Одним из открытий индустрии в последние 20 лет стали органическо-неорганические перовскиты. Перовскит — это минерал с определенной кристаллической структурой.
Впервые такой тип соединений был обнаружен в 1839 году в Уральских горах и назван в честь графа Льва Перовского. С тех пор как в 2009 году разработали первый галоген-перовскитный солнечный элемент, показатели КПД (коэффициента полезного действия) выросли с 3,8 до 25 процентов в 2021 году. Сейчас перовскиты стали сравнимы с их главными конкурентами — солнечными элементами на основе кремния.
Пленки из перовскитов можно получить осаждением из раствора, это простая и дешевая технология. В этом их преимущество перед кремниевыми батареями и электронными устройствами со сложным процессом осаждения на подложку, где нужны сверхчистый кремний и вакуумные камеры. Существенный минус перовскитов в том, что они склонны к деградации под действием влаги и кислорода воздуха, высокой температуры и интенсивного облучения светом. Поэтому, несмотря на свои достоинства, соединения нестабильны и работать с ними сложно.
Другой проблемой перовскитов стала токсичность свинца, который использовали для увеличения их эффективности. Показатели свинцовых батарей стали немного выше, но с их использованием появились новые трудности. Содержащие свинец фотоэлементы необходимо грамотно утилизировать, иначе можно нанести вред экологии. При этом расходы на утилизацию могут быть больше, чем прибыль от самих устройств. Это экономически невыгодно, поэтому производство свинцовых батарей так и не вышло на промышленный уровень.
Перед учеными возникла задача: найти нетоксичное и стабильное соединение, не содержащее ядовитый свинец и химически неустойчивую органическую компоненту, а также способное обеспечить высокий КПД устройства. Такую работу провела группа исследователей из России и США. Для создания новых солнечных перовскитных элементов был выбран материал Cs2AgBiBr6 и изучены его свойства.
Соединение имеет структуру двойного перовскита с химической формулой A2BB’X6, где А — большой катион (положительно заряженный ион), В, B’ — катионы меньшего размера, чем А, а Х — анион (отрицательно заряженный ион). В данном соединении сайты B, B’ заняты катионами Ag и Bi. Такое соединение устойчивее: риск того, что неорганические ионы Cs, Ag и Bi будут реагировать с окружающей средой, довольно мал. Ученые исследовали нетоксичное и стабильное соединение, Cs2AgBiBr6, эффективность которого, однако, была менее трех процентов из-за дефектов в пленках.
Дефекты провоцируют захват фотогенерированных зарядов и ускоряют процесс их рекомбинации: положительно и отрицательно заряженные частицы начинают сталкиваться чаще, нейтрализуют друг друга, и заряды исчезают. Это приводит к потерям энергии: вместо того чтобы генерировать электрический ток, она рассеивается в виде тепла.
Чтобы понять, как снизить возможность образования дефектов, ученые анализировали механизм образования центров рекомбинации отрицательно заряженными вакансиями Br. Вакансиями брома называют отсутствие атомов Br в решетке Cs2AgBiBr6. Такие дефекты встречаются чаще всего. Нейтральные вакансии не сильно влияют на исчезновение зарядов. Но как только эти дефекты принимают электроны и становятся отрицательно заряженными, возникают ловушки.
Большой объем данных о дефектах (десятки тысяч конфигураций) генерировался с помощью компьютерного моделирования. Исследователи использовали квантовую теорию функционала плотности. Большое количество полученных данных затрудняло анализ результатов. Чтобы решить эту проблему, применялись современные методы машинного обучения и анализа результатов. Это помогло определить, движения каких атомов приводят к созданию ловушек и исчезновению зарядов, что снижает эффективность солнечных элементов. Ученые предложили химические способы избегать формирования таких дефектов при изготовлении материалов.
«Машинное обучение позволило нам выявить наиболее важные параметры, которые управляют захватом и исчезновением (рекомбинацией) зарядов, — комментирует профессор департамента электронной инженерии МИЭМ НИУ ВШЭ, заместитель заведующего лабораторией квантовой наноэлектроники Андрей Васенко. — Результаты нашей работы могут использоваться для создания рекомендаций по устранению дефектов и разработке лучших материалов для перовскитных солнечных элементов».
