Коллектив по прикладной нанофотонике Университета МГУ-ППИ в Шеньчжэне достиг важных научных результатов

В последнее время команда по прикладной нанофотонике факультета наук о материалах Университета МГУ-ППИ в Шеньчжэне под руководством доцента Лю На достигла значительного прогресса в области перовскитных солнечных элементов. Соответствующие результаты были опубликованы в ведущих международных научных журналах по материалам — Advanced Energy Materials и Energy Material Advances.

Работа, опубликованная в журнале Advanced Energy Materials (импакт-фактор: 24.4), называется «Chemical Bond Management of FA‐Based Mixed Halide Perovskites for Stable and High‐Efficiency Solar Cells». Университет МГУ-ППИ в Шеньчжэне указан в качестве первой публикующей организации, доцент Лю На выступает первым автором и автором-корреспондентом данной статьи. Соавтором также является доцент Вэй Годань из Университета Циньхуа. Исследование было поддержано профессором Ли Шукуем с факультета наук о материалах Университета МГУ-ППИ в Шеньчжэне, профессором Чаном Шуай — руководителем коллектива по прикладной нанофотонике, профессором Романом Васильевым из МГУ и профессором Чэнь Ци из Пекинского политехнического института.

Исследование направлено на решение одной из ключевых проблем перовскитных солнечных элементов — их стабильности — и данное исследование совершило значительный прорыв. В работе была предложена новая стратегия управления химическими связями: введение пирролидинового соединения (PY-F) с сильным электроноакцепторным фторзамещающим фрагментом позволило существенно усилить химическую связь между органическими катионами и [PbI₆]⁴⁻ октаэдрами. Это эффективно подавило миграцию ионов и фазовые переходы в материале.

Кроме того, пирролидиновое соединение взаимодействует с PbI₂ с образованием новой одномерной перовскитной структуры (PYFPbI₃), которая в сочетании с трёхмерной перовскитной фазой формирует гетероструктуру, ещё более повышающую стабильность материала. Оптимизированный жёсткий солнечный элемент достиг коэффициента преобразования энергии 25,39%, а гибкий элемент — 24,26%, что соответствует передовому уровню в данной области.

Стоит отметить, что неинкапсулированные устройства, протестированные в течение 350 часов непрерывного освещения с отслеживанием точки максимальной мощности, сохранили до 90% исходной эффективности, что значительно превышает показатели контрольной группы (лишь 45%). Кроме того, гибкие устройства сохранили 97% первоначальной эффективности после 1000 циклов изгиба, продемонстрировав выдающуюся механическую стабильность.

Настоящее исследование, реализованное с помощью инновационного подхода к управлению химическими связями, успешно повысило как эффективность, так и долговременную стабильность смешанных галогенидных перовскитных солнечных элементов, что открывает новые перспективы для их коммерциализации в рамках развития перовскитной фотоэлектрической технологии.

Кроме того, команда по прикладной нанофотонике Университета МГУ-ППИ в Шеньчжэне в сотрудничестве с профессором Чэнь Ци из Пекинского политехнического института опубликовала статью под названием «Chemical Bond Management of FA-Based Mixed Halide Perovskites for Stable and High-Efficiency Solar Cells» в журнале Energy Material Advances (импакт-фактор: 14.9). Университет МГУ-ППИ в Шеньчжэне выступает в качестве первой публикующей организации. Доцент Лю На выступает первым автором и автором-корреспондентом, профессоры Чан Шуай и Чэнь Ци выступают соавторами-корреспондентами.

В рамках данной работы исследователи сосредоточились на решении таких широко распространённых проблем в квазидвумерных перовскитных солнечных элементах, как неравномерное фазовое распределение и низкая эффективность экситонного расщепления. Для этого была разработана новая молекула бутидинидий-хлорида (BI), обладающая одновременно свойствами основания Льюиса и функциональностью хлорид-иона, что позволило эффективно преодолеть упомянутые трудности и открыть новый подход к созданию стабильных и высокоэффективных перовскитных фотогальванических технологий.

BI-молекулы, содержащие гуанидиновую группу (NH=CNH₂), благодаря сильному взаимодействию основания Льюиса с [PbI₆]⁴⁻-октаэдрами, способствуют оптимизации кристаллизационной кинетики и формированию высокоупорядоченной кристаллической структуры тонких плёнок. В то же время, хлорид-ионы подавляют образование фаз с низким значением n, что обеспечивает равномерное распределение доминирующей фазы с n = 4.

Методы синхротронного излучения скользящего рентгеновского рассеяния (GIWAXS) и фотолюминесцентной спектроскопии показали, что обработанные BI плёнки обладают значительно улучшенной кристалличностью, а энергия связывания экситонов снижена с 231 мэВ до 180 мэВ, что существенно способствует эффективному разделению зарядов. Экспериментальные результаты демонстрируют, что оптимизированные квазидвумерные перовскитные солнечные элементы обладают выдающимися рабочими характеристиками.

Настоящее исследование не только предлагает новую парадигму молекулярного дизайна для повышения эффективности квазидвумерных перовскитных фотоэлементов, но и прокладывает путь к решению проблем переноса заряда и фазовой стабильности в низкоразмерных перовскитах.

Коллектив по прикладной нанофотонике Университета МГУ-ППИ в Шеньчжэне возглавляет профессор Чан Шуай. В состав коллектива входят доцент Лю На, старший преподаватель Чжу Янань, два постдокторанта, а также несколько аспирантов и магистрантов. Исследования ведутся на базе платформы университета «Прикладная нанофотоника» и охватывают ключевые направления, соответствующие стратегическим приоритетам индустриального развития города Шэньчжэнь в рамках программы «20+8» — в частности, в сферах оптоэлектронных материалов, новых технологий дисплеев, новых источников энергии и т.д.

Команда сосредоточена на разработке передовых оптоэлектронных технологий, включая нанофотонные материалы, печатные дисплейные устройства и фотовольтаические элементы, с целью создания оригинальных технологических решений, преодоления узких мест в области независимых разработок ключевых технологий и локализации их производства. Коллектив стремится построить целостную исследовательскую систему — от прорывных материалов до интеграции системных решений, а также внести вклад в «опережающее развитие» оптоэлектронных технологий и содействуя внедрению и модернизации соответствующих отраслевых цепочек.