Перовскитные фотоэлектрические элементы на основе MXene достигают эффективности 25,13%.

Исследователи из Университета электронных наук и технологий создали перовскитный солнечный элемент с добавлением MXene — двумерного материала с высокой проводимостью, термической стабильностью и химической стойкостью. Новый элемент достигает эффективности преобразования энергии 25,13%, лучше поглощает свет и сохраняет 80% своей первоначальной эффективности после 500 часов работы.
Ti₃C₂Tₓ, известный как MXene, представляет собой двумерный материал на основе карбида титана, в котором некоторые атомы углерода заменены кислородом или фтором. Он похож на графен и обладает уникальными оптоэлектронными свойствами: высокой подвижностью носителей заряда, превосходной металлической проводимостью, высоким оптическим пропусканием и настраиваемыми выходными характеристиками. Благодаря этим характеристикам MXenes считаются перспективными компонентами для создания эффективных фотоэлектрических устройств.
Солнечный элемент был сконструирован с использованием стеклянной подложки из оксида индия и олова (ITO), слоя переноса электронов (SnO₂), поглотителя из перовскита MXene, слоя переноса дырок на основе Spiro-OMeTAD и золотого электрода. Введение MXene позволило получить пленку перовскита толщиной всего 15,2 нм вместо 24,9 нм для стандартного материала. Это улучшает морфологию поверхности и обеспечивает более эффективное рассеивание тепла. Нанолисты Ti₃C2Tₓ также способствуют равномерному росту зерен за счет увеличения поглощения света в видимом спектре.
Ученые проанализировали клетку с помощью двух методов — энергодисперсионной спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Исследование показало, что атомы титана (Ti) равномерно распределены по всей перовскитной пленке и способствуют перераспределению электронов в определенных областях. Это улучшает теплопроводность и уменьшает дефекты границ зерен.
При стандартных условиях освещения новый солнечный элемент демонстрирует эффективность преобразования энергии 25,13%, напряжение холостого хода 1,177 В, плотность тока короткого замыкания 25,29 мА/см² и рабочий цикл 84,4%. Для сравнения, аналогичный перовскитный элемент без MHen достигает 23,70%, 1,145 В, 25,18 мА/см² и 82,2% соответственно.
Устройство также отличается стабильностью: после 500 часов работы при относительной влажности 85% оно сохраняет 80% своей первоначальной производительности. Это делает технологию перспективной для длительной эксплуатации в реальных условиях.
Ученые отмечают, что основным препятствием для коммерциализации остается высокая стоимость и сложность производства Ti₃C₂Tₓ. Чтобы преодолеть эти ограничения, они планируют оптимизировать методы синтеза и изучить альтернативные материалы MXene.