Полностью зеленый сульфолан

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9335 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Промышленная коммерциализация перовскитных солнечных элементов не только зависит от достаточных характеристик устройства, но также требует полного исключения опасных растворителей в процессе производства, чтобы обеспечить устойчивое развитие технологии. В этой работе сообщается о новой системе растворителей на основе сульфолана, \(\гамма\)-бутиролактона (ГБЛ) и уксусной кислоты (AcOH) как значительно более экологичной альтернативы обычным, но более опасным растворителям. Интересно, что эта система растворителей не только привела к образованию плотноупакованного слоя перовскита с большим размером кристаллов и лучшей кристалличностью, границы зерен оказались более жесткими и хорошо проводящими электрический ток. Физические изменения на границах зерен были вызваны кристаллическими интерфейсами, пропитанными сульфоланом, которые, как ожидалось, будут способствовать лучшему переносу заряда и обеспечивать более сильный барьер для влаги внутри слоя перовскита, что в результате приведет к более высокой плотности тока и увеличению производительности устройства. Фактически, при использовании смешанной системы растворителей, состоящей из сульфолана, ГБЛ и AcOH в объемном соотношении 70,0:27,5:2,5, стабильность устройства была лучше, а фотоэлектрические характеристики были статистически сопоставимы с таковыми, полученными с использованием растворителя на основе ДМСО. Наш отчет отражает беспрецедентные результаты повышения электропроводности и жесткости перовскитного слоя просто за счет использования соответствующего выбора полностью зеленого растворителя.

Неорганически-органический гибридный перовскитный солнечный элемент (PSC) заинтриговал многих исследователей главным образом своим потенциалом производительности и многообещающими перспективами1,2,3. Быстрое развитие PSC в последние годы также позволяет достичь еще лучших характеристик фотоэлектрических систем, особенно с учетом того факта, что многие заявленные значения эффективности преобразования энергии (PCE) постоянно отстают от теоретического значения 25,2%3, оставляя достаточно возможностей для дальнейшего достижение. Типичную кристаллическую структуру гибридного перовскита можно охарактеризовать как \(ABX_{3}\), которая состоит из катиона (участка A), такого как CH\(_{3}\)NH\(_{3}^{+} \), HC(NH\(_{2}\))\(_{2}^{+}\), Cs\(^{+}\) и Rb\(^{+}\). Неорганический каркас \(BX_{3}\) состоит из галогенидных элементов (участок X) и металла (участок B), таких как Pb\(^{+}\) и Sn\(^{+}\)4. Недавно сообщалось, что PCE достиг 25,2%3, что представляет собой значительный прогресс, особенно по сравнению с другими фотоэлектрическими элементами, такими как CdTe, селенид меди, индия, галлия (CIGS), а также сенсибилизированными красителями и органическими солнечными элементами5.

Не менее важным для развития фотоэлектрических технологий является влияние процесса подготовки на окружающую среду и здоровье человека. Сообщения о высокой эффективности часто основывались на использовании опасных химических веществ, таких как канцерогенный N-метил-2-пирролидон (NMP) и N,N-диметилформамид (ДМФ), а также диметилсульфоксид (ДМСО), хорошо проникающий через кожу, для приготовления перовскит6,7,8,9,10. Однако, несмотря на то, что использование этих растворителей может гарантировать высокую производительность устройства, их токсичность для окружающей среды и здоровья человека может вызвать серьезные проблемы, особенно когда технология внедряется в больших масштабах10. Следовательно, для устойчивого развития технологии PSC необходимо решить вопрос выбора растворителей.

В целях более экологичного приготовления для приготовления раствора предшественника PbBr\(_{2}\) использовали смешанный растворитель, состоящий из полиэтиленгликоля и \(\гамма\)-бутиролактона (ГБЛ). Полученный PSC показал PCE до 8,11%11. (R)-(+)-Лимонен и 2-метилтетрагидрофуран также могут быть использованы в качестве менее токсичных антирастворителей при получении высококачественного перовскитного слоя в инвертированной установке PSC с PCE до 17,84%12. Тиан и его коллеги также предложили н-бутанол в качестве зеленого антирастворителя для приготовления перовскитных пленок в устройствах большой площади, который продемонстрировал PCE 13,85%13. Явари и его коллеги использовали анизол в качестве зеленого антирастворителя при приготовлении PSC, что дало впечатляющий PCE — до 20,5%14. Тем не менее, несмотря на многочисленные усилия, стабильность устройства остается проблемой14, что можно объяснить неэффективным растворением предшественников перовскита в процессе приготовления15. В результате полная ликвидация опасных растворителей еще не материализовалась, и эти растворители все еще играют в той или иной степени роль в процессе производства, облегчая растворимость химических предшественников.