Прорыв в области новых энергетических материалов, обеспеченный мегасайенс-установкой: на основе Пекинского источника синхротронного излучения (BSRF) в IHEP раскрыт механизм высокоэффективной кристаллизации перовскита, КПД преобразования фотоэлектрических субмодулей достиг 22,9%

В последнее время научно-исследовательская группа Центра междисциплинарных исследований Института физики высоких энергий Китайской академии наук (IHEP) добилась важного прогресса в изучении микроскопических механизмов материалов для перовскитных солнечных элементов. Исследовательская группа инновационно ввела нанорамки из прусской сини (Prussian Blue, PB), характеризующиеся высокой степенью соответствия кристаллической решётке перовскита, и, опираясь на национальную крупную научно-техническую инфраструктуру——Пекинский источник синхротронного излучения (BSRF), провела многомерную in situ синхротронную характеризацию. На двух уровнях — эволюции динамики переходной кристаллизации и микроскопической локальной координационной структуры — впервые системно выяснен физико-химический механизм регулирования прусской синью зарождения и кристаллизации перовскита, а также подавления миграции ионов.

В процессе жидкофазного изготовления тонких плёнок крупномасштабных перовскитных фотоэлектрических модулей, как правило, одновременно происходят случайное зарождение и чрезвычайно сложная эволюция сольватированных промежуточных фаз, что с большой вероятностью оставляет внутри плёнки остаточные растягивающие напряжения, микроскопический беспорядок кристаллической решётки и точечные дефекты, которые в дальнейшем при длительном освещении, нагреве и воздействии внешнего электрического поля вызывают миграцию ионов и резкую деградацию характеристик. Чтобы преодолеть это узкое место крупномасштабной эффективности, ограничивающее индустриализацию фотоэлектрических модулей, исследователи, опираясь на in situ скользящее падение широкоугольного рентгеновского рассеяния (GIWAXS) на экспериментальной станции 1W1A BSRF, а также на технику тонкой структуры рентгеновского поглощения (XAFS) на экспериментальной станции 1W1B, провели динамическое отслеживание с высоким пространственно-временным разрешением:

Точное индуцирование динамического пути кристаллизации: анализ in situ GIWAXS показал, что прусская синь в качестве гетерогенного шаблона зарождения эффективно переключает систему с неупорядоченного случайного гомогенного зарождения на контролируемый режим гетерогенного зарождения, значительно подавляет образование низкоактивных сольватированных промежуточных продуктов и необладающей фотоактивностью жёлтой фазы ($\delta$-FAPbI$_3$), открывая кинетический путь быстрого превращения в чёрную фотоактивную фазу ($\alpha$-FAPbI$_3$); этот механизм регулирования заставляет кристаллы строго расти с преимущественной ориентацией вдоль плоскости (100), что в значительной степени устраняет растягивающие напряжения кристаллической решётки в плёнке;

Устойчивость каркаса на атомном масштабе и связывание ионов: спектры поглощения XAFS по K-краю Fe, фитинг расширенной тонкой структуры и вейвлет-анализ, полученные на экспериментальной станции 1W1B, подтвердили, что даже в экстремальной микроскопической среде, когда катионы, такие как Cs$^+$, мигрируют и внедряются во внутренние каналы прусской сини и происходит окислительно-восстановительное превращение Fe$^{3+}$, её кубический координационный каркас Fe–C$\equiv$N–Fe по-прежнему проявляет чрезвычайно высокую структурную жёсткость, а радиальные координационные расстояния не имеют заметных искажений, что обеспечивает прочный микроструктурный барьер для непрерывного закрепления подвижных катионов и подавления скольжения ионов по границам зёрен.

Благодаря микроскопическому динамическому руководству, обеспеченному экспериментами на ускорительном синхротронном излучении, исследовательская группа достигла скачка в характеристиках на уровне приборов: КПД преобразования фотоэлектрической энергии лабораторных маломасштабных перовскитных элементов вырос до 26,9%; в процессе масштабированного изготовления КПД субмодуля размером 6 см × 6 см достиг 23,4%, а крупноразмерный субмодуль 30 см × 30 см получил высокий сертифицированный КПД 22,9%, что заложило прочную научную основу для перехода высокостабильных крупномасштабных перовскитных фотоэлектрических элементов из лаборатории на промышленную производственную линию.