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

JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа
JACS: Ученые выяснили, как повысить эффективность фотокатализа

Фотокаталитическое выделение водорода из ...

Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов
Учёные КФУ разработали новые материалы для металл-ионных аккумуляторов

Учёные Института физики Казанского федеральног...

IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей
IEEE Access: Ученые открыли доступ к данным о работе электрических сетей

Исследователи из Национальной лаборатории...

Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%
Energy Materials and Devices: Создан тандемный солнечный элемент с КПД более 20%

Группа исследователей впервые продемонстрирова...

JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года
JRSNZ: Ветряные электростанции могут компенсировать выбросы за 2 года

Ветряная электростанция, проработав менее двух...

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент

Не зря авиакомпании не разрешают сда...

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

Согласно результатам нового исследования, пров...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Новости компаний, релизы

Ученые ТПУ в составе международной коллаборации выяснили, что смертность от болезней сердца в мире снизилась на 35% за после...
ИТ: тренды индустрии и рынка труда
Ведущие игроки агрорынка представят новинки на «Дне поля» в Агробиотехнопарке Казанского ГАУ
В России начинает работу фонд для нуждающихся в сложном высокотехнологичном лечении
Казанский ГАУ запускает подготовку специалистов по экологии и природопользованию