Германий вместо свинца: в РАН придумали, как улучшить свойства солнечных батарей для спутников
Комплексные галогениды свинца со структурой перовскита способны изменить сферу фотовольтаики —науки о получении электричества из света. Солнечные панели на основе таких материалов дешево производить, и они обладают высоким коэффициентом полезного действия. Однако их широкое применение ограничивают токсичность свинца и низкая стабильность соединений. Частичное изменение химического состава материала может решить эти проблемы. Группа российских ученых провела исследование и выяснила, что замена части свинца на германий меняет свойства материала и делает его устойчивым к свету и радиации, а солнечные панели на его основе пригодятся в космосе.
Результаты работы опубликованы в статье в журнале Journal of Alloys and Compounds. Авторы использовали метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Это способ определения элементного состава поверхности вещества. Ученые обнаружили, что при встраивании в решетку перовскита MAPbI3 без доступа кислорода германий окисляется и переходит из состояния Ge2+ в Ge4+. Этот процесс запускает механизм легирования p-типа. Легированием называют добавление примесей для изменения физических свойств полупроводника. В данном случае материал начинает сам создавать положительные носители заряда, которые физики называют дырками. Это позволяет точно настраивать электронные свойства вещества для повышения его эффективности.
Исследование показало четкие границы применимости этого подхода. При концентрации до 5% германий встраивается внутрь кристаллической решетки. Если концентрация выше, он выходит на поверхность кристаллов в пленке и создает защитный слой GeI2. Этот слой устраняет дефекты, которые возникают из-за ионов свинца на границах зерен материала.
Ученые также изучили, как добавка германия влияет на более стабильный вид перовскита с формулой Cs0.12FA0.88PbI3. Введение всего 1% германия значительно улучшило его устойчивость к свету. Легированные пленки сохраняли свои оптические свойства и способность светиться даже после 2000 часов освещения. Материал без добавки германия в таких же условиях терял свои качества. Анализ энергии Урбаха подтвердил, что образец с германием сохраняет структуру более упорядоченной при старении. Энергия Урбаха — это параметр, который характеризует степень беспорядка в атомной структуре вещества.
Добавление германия уменьшило размер кристаллитов, то есть отдельных мелких кристаллов, из которых состоит пленка. Из-за этого увеличилась площадь границ между ними. Такое изменение строения сыграло ключевую роль в стойкости к радиации. Под воздействием мощного потока электронов в материале с германием активнее образовывались вакансии иода. Вакансией называют пустое место в узле кристаллической решетки, где должен быть атом.
Однако решающим фактором стал другой процесс. Продукты распада одного из компонентов материала перемещались к границам зерен. Авторы полагают, что это приводит к пассивации дефектов. Пассивация — это процесс, при котором дефекты теряют свою химическую активность и перестают мешать работе материала. Это объясняет, почему после облучения свечение материала усилилось.
Работа показывает, что германий выполняет двойную функцию. Он меняет электронную структуру через самолегирование и улучшает строение полупроводниковых пленок. Эти выводы открывают возможности для создания стабильных устройств, в том числе солнечных батарей для спутников и космических станций. В работе принимали участие научные сотрудники Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН, Института физики и технологий Уральского федерального университета и Института физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения РАН.
На обложке спутник связи «Экспресс-АМ5» с солнечными панелями. Источник иллюстрации: Роскосмос. Обработка Олега Шиньковича.
Самое популярное
