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