Forskare från institutionen för materialvetenskap, Lomonosov MSU, har bestämt hur en förändring av förhållandet mellan komponenter som bildar det ljusabsorberande skiktet i en perovskitsolcell påverkar strukturen hos resulterande filmer och batterieffektiviteten. Resultaten av studien publicerades i Journal of Physical Chemistry C .

Organiska-oorganiska perovskiter är en ny klass av fotoaktiva (dvs reagerar på ljus) material. De fick sitt namn efter mineralet perovskit (CaTiO ₃ , kalciumtitanat) på grund av strukturella likheter, även om deras eget är mycket mer intressant. Sådana material kan användas för att skapa perovskite solbatterier, som först introducerades för bara fem år sedan, men har redan överträffat effektiviteten hos dyrare kiselsolelement.

I deras tidigare studie, författarna har funnit att filiforma (trådliknande) hybrider av perovskiter har fått sin form på grund av strukturen hos mellanliggande föreningar, som bildas under processen för perovskitkristallisation. Forskarna har upptäckt en hel grupp av dessa föreningar, var och en är ett kristallint solvat. De kristallina solvaten är kristallina föreningar med molekyler av prekursorkomponenternas lösningsmedel inbyggda i deras struktur. De lösta komponenterna fälls ut från lösningen och bildar en kristallin film av perovskit.

Forskarna valde ut och beskrev tre mellanliggande föreningar som är kristallina solvater av ett av de två lösningsmedel som används oftast för att skapa perovskit-solbatterier. För två av dessa föreningar, deras kristallstruktur etablerades för första gången.

"Vi har funnit att bildningen av mellanliggande föreningar är en av nyckelfaktorerna som bestämmer de funktionella egenskaperna hos det slutliga perovskitskiktet eftersom perovskitkristaller ärver formen av dessa föreningar. Detta, i tur och ordning, påverkar filmmorfologin och solcellseffektiviteten. Det är särskilt viktigt när du skapar tunna perovskitefilmer, eftersom den nålliknande eller filiformiga formen av kristaller kommer att leda till att filmen blir diskontinuerlig, vilket kommer att sänka solcellens verkningsgrad avsevärt. Kunskapen om påverkan av förhållandet mellan prekursorreagenser på formen av de slutliga perovskitkristallerna kommer att tillåta forskare att medvetet välja villkoren för att erhålla optimala filmer, vilket kommer att resultera i perovskitceller med hög effektivitet, " säger chefsutredaren Alexey Tarasov vid Lomonosov Moscow State University.

Sådana mellanliggande föreningar är instabila, så författarna använde synkrotronstrålning och låga temperaturer för att kyla kristallerna till temperaturen -173 °C. Frysningen gjorde det möjligt för forskarna att stoppa nedbrytningen av kristallerna och utföra de nödvändiga mätningarna för att bestämma strukturen på solvaten.

Dessutom, forskarna har studerat värmestabiliteten för de erhållna föreningarna och lyckats beräkna energin i deras bildning med hjälp av kvantkemisk modellering. Att känna till bildningsenergin gör det möjligt att förklara varför vissa kristaller bildas när man använder olika lösningsmedel.

Författarna har också lärt sig att förhållandet mellan reagenser i lösning specifikt bestämmer vilken intermediär förening som kommer att bildas i kristallisationsprocessen. Kristallstrukturen hos den mellanliggande föreningen definierar formen på perovskitkristallerna som bildas, som bestämmer strukturen på det ljusabsorberande lagret. Denna struktur, i tur och ordning, påverkar produktionen av det skapade solbatteriet.