Солнечные элементы должны уменьшиться.
Солнечные элементы - это устройства, которые поглощают фотоны солнечного света и преобразуют их энергию в движение электронов, что позволяет производить чистую энергию и обеспечивает надежный путь для борьбы с изменением климата. Но большинство солнечных элементов, широко используемых сегодня, толстые, хрупкие и жесткие, что ограничивает их применение на плоских поверхностях и увеличивает стоимость изготовления солнечного элемента.
«Тонкопленочные солнечные элементы» могут иметь толщину 1/100 листа бумаги и быть достаточно гибкими, чтобы украшать поверхности, начиная от аэродинамически гладкого автомобиля и заканчивая одеждой. Чтобы сделать тонкопленочные солнечные элементы, ученые выходят за рамки «классических» полупроводниковых соединений, таких как арсенид галлия или кремний, и вместо этого работают с другими светособирающими соединениями, которые потенциально могут быть дешевле и проще в массовом производстве. Соединения могли бы получить широкое распространение, если бы они могли работать так же хорошо, как современные технологии.
В статье, опубликованной этой весной в журнале Nature Photonics, ученые из Университета Вашингтона сообщают, что прототип тонкой полупроводниковой пленки обладает даже лучшими характеристиками излучения света, чем лучшие на сегодняшний день материалы для солнечных элементов.
«Это может показаться странным, поскольку солнечные элементы поглощают свет и превращают его в электричество, но лучшие материалы для солнечных элементов также отлично излучают свет», - сказал соавтор и профессор химического машиностроения UW Хью Хиллхаус, который также является преподаватель Института чистой энергии UW и Института молекулярной инженерии и наук. «На самом деле, как правило, чем эффективнее они излучают свет, тем большее напряжение они генерируют."
Команда UW добилась рекордных характеристик этого материала, известного как свинцово-галогенидный перовскит, путем его химической обработки с помощью процесса, известного как «пассивация поверхности», который устраняет дефекты и снижает вероятность того, что поглощенные фотоны будут в конечном итоге тратится впустую, а не преобразуется в полезную энергию.
«Одна большая проблема с перовскитными солнечными элементами заключается в том, что слишком много поглощаемого солнечного света в конечном итоге превращается в бесполезное тепло, а не в электричество», - сказал соавтор Дэвид Джинджер, профессор химии UW и главный научный сотрудник CEI. «Мы надеемся, что такие стратегии поверхностной пассивации помогут улучшить производительность и стабильность перовскитных солнечных элементов».
Команды Джинджера и Хиллхауса работали вместе, чтобы продемонстрировать, что поверхностная пассивация перовскитов резко повысила производительность до уровней, которые сделали бы этот материал одним из лучших для тонкопленочных солнечных элементов. Они экспериментировали с различными химическими веществами для пассивации поверхности, прежде чем нашли органическое соединение, известное под аббревиатурой TOPO, которое повысило характеристики перовскита до уровней, приближающихся к лучшим полупроводникам из арсенида галлия.
"Наша команда в Университете Вашингтона была одной из первых, кто выявил ограничивающие производительность дефекты на поверхности перовскитовых материалов, и теперь мы рады, что обнаружили эффективный способ химической инженерии этих поверхностей с помощью молекул TOPO", сказал соавтор Дейн деКуилеттс, научный сотрудник с докторской степенью в Массачусетском технологическом институте, который проводил это исследование в качестве докторанта химии UW. «Сначала мы были очень удивлены, обнаружив, что пассивированные материалы оказались такими же хорошими, как арсенид галлия, который является рекордсменом по эффективности солнечных элементов. Поэтому, чтобы перепроверить наши результаты, мы разработали несколько различных подходов для подтверждения улучшений. в качестве перовскитового материала."
ДеКуилеттс и соавтор Ян Брейли, которые проводили это исследование, будучи докторантом в области химического машиностроения, показали, что обработка перовскитового полупроводника с помощью ТОФО значительно повлияла как на его внутреннюю, так и на внешнюю квантовую эффективность фотолюминесценции - метрики, используемые для определения того, как Хорошо, что полупроводниковый материал использует энергию поглощенного фотона, а не теряет ее в виде тепла. Обработка перовскита ТОФО увеличила квантовую эффективность внутренней фотолюминесценции в десять раз - с 9,4 процента до почти 92 процентов.
«Наши измерения эффективности, с которой пассивированные гибридные перовскиты поглощают и излучают свет, показывают, что в материалах нет недостатков, препятствующих дальнейшему совершенствованию солнечных элементов», - сказал Брэйли. «Кроме того, подгоняя спектры излучения к теоретической модели, мы показали, что эти материалы могут генерировать напряжения, составляющие 97 процентов от теоретического максимума, что соответствует мировому рекорду солнечного элемента на основе арсенида галлия и намного выше, чем у рекордных кремниевых элементов, которые достигают только 84 процентов."
Эти улучшения качества материалов теоретически предсказывают, что эффективность преобразования энергии света в электричество может достигать 27,9% при обычном уровне солнечного света, что поставит рекорд фотоэлектрических элементов на основе перовскита перед лучшими кремниевыми устройствами.
Следующим шагом для перовскитов, по словам исследователей, является демонстрация аналогичной химической пассивации, совместимой с легко изготавливаемыми электродами, а также эксперименты с другими типами поверхностной пассивации.
«Перовскиты уже продемонстрировали беспрецедентный успех в фотогальванических устройствах, но есть еще много возможностей для дальнейшего совершенствования», - сказал деКуилет. «Здесь мы думаем, что предоставили сообществу путь вперед, чтобы лучше использовать энергию солнца».