Сотрудники лаборатории новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ предложили новый двухстадийный способ формирования тонких плёнок гибридного перовскита с нанесением плёнки реакционного соединения-предшественника на первой стадии и её обработкой его парами метиламина на второй. Результаты работы опубликованы в журнале в журнале Molecules.
Гибридные галогенидные перовскиты — набирающий популярность класс полупроводниковых материалов, обладающих выдающимися оптическими и электронными свойствами. Огромный прогресс в изучении физических свойств этих материалов проделанный за последние 10 лет уже сейчас позволяет учёным создавать на основе гибридных перовскитов лабораторные прототипы солнечных батарей, превосходящих по КПД традиционные кремниевые, а также эффективные образцы светодиодов, радиационных детекторов и других оптоэлектронных девайсов. Ключевой стадией изготовления любых подобных устройств является получение тонкой (200-1000 нм) плёнки гибридного перовскита.
В предыдущих публикациях мы уже рассказывали о другой разработанной сотрудниками лаборатории НМСЭ стратегии получения плёнок гибридных перовскитов из металлического свинца с использованием реакционных расплавов полигалогенидов. Впоследствии развитие данной стратегии позволило учёным разработать собственную технологию получения перовскитных солнечных элементов увеличенной площади с КПД до 17%.
В настоящей работе учёные предложили использовать для синтеза гибридного перовскита реакцию быстрого протонного обмена между открытым ими сольватом и газообразным амином.
«Гибридные перовскиты (например, CH3NH3PbI3) являются органо-неорганическими соединениями, содержащими органический катион (например, катион метиламмония – CH3NH3+) и неорганический анионный каркас (PbI3-). Йодоплюмбатный каркас такого же состава могут содержать и другие соединения, не обладающие структурой перовскита и содержащие в качестве катионов протонированные органические молекулы большего размера. Если такая органическая молекула является слабым основанием, то при воздействии паров органического амина (сильного основания), будет протекать реакция протонного обмена. В результате образуются катионы аммония (например, метиламмония), которые сформируют структуру перовскита, тогда как молекулы слабого основания напротив перейдут в газовую фазу. Использование в качестве «предшественника» перовскита соединения, содержащего протонированное летучее органическое основание – это ключевая идея нового синтетического подхода», — пояснял заведующий лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ и старший научный сотрудник химического факультета МГУ Алексей Тарасов.
Элегантность предложенного подхода заключается в том, что в качестве протонированного основания в соединении-предшественнике выступают молекулы ацетона 3 растворителя, из которого и наносят его в виде тонкой плёнки. С химической точки зрения данное соединение является необычным сольватом, содержащим протонированный ацетон и цепочечные анионы (PbI3-). В силу высокой летучести ацетона новый сольват является очень реакционноспособным и за секунды реагирует с парами метиламина с образованием перовскита. Высвободившийся газообразный ацетон при этом мгновенно улетает. Весь процесс от нанесения плёнки сольвата-предшественника из раствора на основе ацетона до финальной плёнки перовскита занимает 5 минут включая стадию короткого отжига.
«Для большинства традиционных способов получения перовскита характерны низкая движущая сила и относительно низкая скорость физико-химических процессов, в то время как для намечающегося технологического применения необходимы быстрые методы получения плёнок перовскита, включающие минимальное количество стадий. Предложенный способ предполагает нанесение плёнки соединения-предшественника из дешёвого простого в обращении растворителя, ацетона, а затем её короткую (30с) обработку парами метиламина при комнатной температуре и атмосферном давлении. Способ не требует никакого специализированного оборудования, экспрессен и дёшев, что делает его перспективным для масштабирумого изготовления перовскитных солнечных элементов», — заключил Алексей Тарасов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда.