Исследование на синхротроне BESSY II в Германии: затравочный слой из хлорида цезия повышает качество тандемных солнечных элементов «перовскит-кремний»

Команда из Центра Гельмгольца в Берлине (HZB) с использованием синхротронного устройства BESSY II провела наноразмерный анализ тандемных солнечных элементов «перовскит-кремний», изготовленных методом испарения, и предложила новый способ улучшения качества перовскитных плёнок. Исследование показало, что введение тонкого затравочного слоя из хлорида цезия (CsCl) между двумя субэлементами способствует равномерному росту перовскитного слоя и одновременно уменьшает нежелательное отложение иодида свинца на границе раздела.

Исследование демонстрирует, что затравочный слой из хлорида цезия улучшает рост испарённого перовскитного слоя и снижает образование иодида свинца. Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии, показывают, что перовскитный слой, выращенный без затравочного слоя (левый снимок), состоит из чрезвычайно мелких кристаллитов и имеет множество дефектов, тогда как перовскитный слой, выращенный на затравочном слое из хлорида цезия (правый снимок), демонстрирует более крупные кристаллиты и значительно меньше дефектов. HZB

Тандемные солнечные элементы «перовскит-кремний» обычно имеют более высокую эффективность преобразования, чем отдельные кремниевые солнечные элементы. При этом совместное испарение молекул-предшественников перовскита на кремниевый субэлемент представляет собой технологически привлекательный производственный маршрут. Исследовательская группа отмечает, что в таких монолитных тандемных элементах обычно требуется формирование самоорганизующегося монослоя (SAM) на поверхности кремния в качестве дырочно-транспортного слоя, однако и слой SAM, и перовскитный слой должны максимально равномерно покрывать поверхность кремния. Поскольку SAM не является идеальным монослоем, а поверхность кремния часто имеет нанотекстуру для усиления захвата света, равномерное формирование плёнки является непростой задачей.

На установке BESSY II исследователи с помощью инфракрасной сканирующей зондовой микроскопии ближнего поля (IR-s-SNOM) выявили участки внутри слоя SAM с различной толщиной, включая монослойные, многослойные области и участки агрегации молекул SAM. Дальнейший анализ показал, что на плоских кремниевых подложках и на текстурированных кремниевых подложках, имеющих промышленную значимость, молекулы SAM скапливаются в углублениях текстуры, что приводит к неравномерной толщине плёнки.

Затем команда использовала рентгеновскую фотоэмиссионную электронную микроскопию (XPEEM) на BESSY II для наблюдения за ростом совместно испарённого перовскита на участках с различным покрытием SAM. Результаты показали, что перовскитный слой не способен компенсировать неравномерность нижележащего слоя SAM и образует нежелательный иодид свинца на границе раздела с кремнием.

Для решения этой проблемы исследователи ввели слой хлорида цезия на границе раздела, который выполняет функцию затравочного слоя. Доктор Виктор Шкорянц, первый автор исследования, отметил, что этот затравочный слой позволяет перовскитной плёнке расти более равномерно на текстурированной кремниевой поверхности и предотвращает образование дефектов на границе раздела, вызванных неравномерным покрытием дырочно-транспортного слоя. Наблюдения с помощью сканирующей электронной микроскопии также показали, что без затравочного слоя перовскитная плёнка имеет мелкие кристаллиты и множество дефектов; при добавлении затравочного слоя из хлорида цезия количество дефектов в плёнке значительно уменьшается, а размер кристаллитов увеличивается.

Результаты исследования показали, что при использовании данного метода эффективность тандемных солнечных элементов «перовскит-кремний» достигла 30,3%. Доктор Марсель Росс, руководитель группы по испарённым перовскитным солнечным элементам в HZB, отметил, что этот безрастворительный вакуумный процесс также может улучшить стабильность тандемных элементов, что имеет важное значение для продвижения высокоэффективных лабораторных результатов к надёжным и пригодным для промышленного производства тандемным солнечным технологиям.