Разработан новый метод создания стабильных и эффективных солнечных элементов

Солнечные материалы нового поколения дешевле и экологичнее в производстве, чем традиционные кремниевые солнечные элементы, но остаются проблемы, связанные с созданием достаточно прочных устройств, способных выдерживать реальные условия эксплуатации.

Новая методика, разработанная группой международных ученых, может упростить создание эффективных и стабильных перовскитовых солнечных элементов, названных так за их уникальную кристаллическую структуру, которая отлично поглощает видимый свет.

Ученые, в том числе преподаватель Пенсильванского университета Нельсон Дзаде, сообщили в журнале Nature Energy о своем новом методе создания более прочных перовскитовых солнечных элементов, которые при этом достигают высокой эффективности преобразования солнечного света в электричество — 21,59%.

По словам Дзаде, доцента кафедры энергетического и минерального машиностроения John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering и соавтора исследования, перовскиты являются перспективной солнечной технологией, поскольку их можно изготавливать при комнатной температуре, затрачивая меньше энергии, чем традиционные кремниевые материалы, что делает их более доступными и экологичными в производстве. Однако ведущие кандидаты на создание таких устройств — гибридные органические и неорганические галогениды металлов — содержат органические компоненты, которые чувствительны к воздействию влаги, кислорода и тепла, а воздействие реальных условий может привести к быстрой деградации характеристик, считают ученые.

Одним из решений является обращение к неорганическим перовскитным материалам, таким как иодид свинца-цезия, обладающим хорошими электрическими свойствами и повышенной устойчивостью к воздействию окружающей среды. Однако этот материал является полиморфным, то есть имеет несколько фаз с различной кристаллической структурой. Две из фотоактивных фаз хорошо подходят для солнечных элементов, но при комнатной температуре они могут легко переходить в нежелательную нефотоактивную фазу, что приводит к появлению дефектов и снижению эффективности солнечного элемента, считают ученые.

Ученые объединили два фотоактивных полиморфа йодистого цезия и свинца, сформировав фазовый гетеропереход, который способен подавить переход в нежелательную фазу, сообщили ученые. Гетеропереходы образуются при соединении различных полупроводниковых материалов, например, слоев в солнечной батарее, с разными оптоэлектронными свойствами. Такие переходы в солнечных устройствах могут быть настроены таким образом, чтобы поглощать больше энергии солнца и более эффективно преобразовывать ее в электричество.

Самое замечательное в этой работе то, что она показывает, что изготовление фазовых гетеропереходных солнечных элементов путем использования двух полиморфов одного и того же материала — это правильный путь, — сказал Дзаде.

Это повышает стабильность материала и предотвращает интерконверсию между двумя фазами. Формирование когерентного интерфейса между двумя фазами позволяет электронам легко проходить через устройство, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Именно это мы и продемонстрировали в данной работе.

Исследователи изготовили устройство, которое достигло 21,59% эффективности преобразования энергии, что является одним из самых высоких показателей для подобных подходов, и отличалось превосходной стабильностью. По словам Дзаде, устройства сохранили более 90% первоначальной эффективности после 200 часов хранения в условиях окружающей среды.

При масштабировании от лабораторного до реального солнечного модуля наша разработка показала эффективность преобразования энергии 18,43% при площади солнечного элемента более 7 кв. дюймов (18,08 с м²), — сказал Дзаде.

Эти первые результаты подчеркивают потенциал нашего подхода для разработки сверхбольших модулей перовскитовых солнечных элементов и надежной оценки их стабильности.

Дзаде смоделировал структуру и электронные свойства гетероперехода на атомном уровне и обнаружил, что при соединении двух фотоактивных фаз образуется стабильная и когерентная структура интерфейса, способствующая эффективному разделению и переносу заряда — свойства, необходимые для достижения высокой эффективности солнечных устройств.

Коллеги Дзаде из университета Чоннам (Южная Корея) разработали уникальный метод двойного осаждения для изготовления устройства: одна фаза осаждается методом горячего воздуха, а другая — термическим испарением из трех источников. Добавление небольших количеств молекулярных и органических добавок в процессе осаждения позволило еще больше улучшить электрические свойства, эффективность и стабильность устройства, говорит Саванта С. Мали, профессор-исследователь из университета Чоннам (Южная Корея) и ведущий автор статьи.

Мы считаем, что технология двойного осаждения, разработанная нами в данной работе, будет иметь важное значение для создания высокоэффективных и стабильных перовскитовых солнечных элементов в будущем, — сказал Нельсон Дзаде, доцент кафедры энергетического и минерального машиностроения John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering и соавтор исследования.

По словам исследователей, метод двойного осаждения может открыть путь к созданию дополнительных солнечных элементов на основе всех неорганических перовскитов или других галогенидных перовскитов. По словам исследователей, помимо распространения метода на другие составы, дальнейшая работа будет связана с повышением долговечности существующих фазово-гетеропереходных элементов в реальных условиях и их масштабированием до размеров традиционных солнечных панелей.

Мы считаем, что при таком подходе в ближайшем будущем можно будет поднять эффективность этого материала выше 25%, — заключает Дзаде.

И как только мы это сделаем, коммерциализация станет очень близкой.

24.10.2023


Подписаться в Telegram



Энергия

Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы
Acta Astronautica: В открытом космосе можно построить солнечные фермы

Согласно результатам нового исследования, пров...

Ученые нашли способ очистки воды с помощью солнечной энергии
Ученые нашли способ очистки воды с помощью солнечной энергии

Использование электрохимии для разделения...

В России исследуют влияние формы древесины на процесс горения
В России исследуют влияние формы древесины на процесс горения

Исследование ученых ТПУ позволит улучшить...

Никель поможет отказаться от токсичного кобальта в батарейках
Никель поможет отказаться от токсичного кобальта в батарейках

Поскольку литий-ионные батареи используются бу...

Перовскит обрел свое место под солнцем
Перовскит обрел свое место под солнцем

Перовскитные солнечные элементы привлекают бол...

В заброшенных шахтах нашли энергию на триллионы долларов
В заброшенных шахтах нашли энергию на триллионы долларов

Новая технология под названием Подземное ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса