Комбинация крошечных солнечных элементов, подобно микролинзам в сложном глазу насекомого, может проложить путь к новому поколению передовых фотогальванических элементов, считают ученые из Стэнфордского университета.
«Перовскиты - это многообещающие недорогие материалы, которые преобразуют солнечный свет в электричество так же эффективно, как и обычные солнечные элементы из кремния», - сказал Рейнхольд Даускардт, профессор материаловедения и инженерии и старший автор исследования. «Проблема в том, что перовскиты чрезвычайно нестабильны и механически хрупки. Они едва ли переживут производственный процесс, не говоря уже о том, чтобы быть долговечными в окружающей среде».
Большинство солнечных устройств, таких как панели на крыше, имеют плоскую или планарную конструкцию. Но этот подход плохо работает с перовскитными солнечными батареями.
«Перовскиты - самые хрупкие материалы, когда-либо испытанные в нашей лаборатории», - сказал аспирант Николас Ролстон, соавтор исследования E&ES. «Эта хрупкость связана с хрупкой, похожей на соль кристаллической структурой перовскита, механические свойства которого аналогичны поваренной соли».
Глаз мухи
Чтобы решить проблему долговечности, команда из Стэнфорда обратилась к природе.
«Нас вдохновил сложный глаз мухи, который состоит из сотен крошечных сегментированных глаз», - объяснил Даускардт. «Он имеет красивую сотовую форму со встроенной избыточностью: если вы потеряете один сегмент, будут работать сотни других. Каждый сегмент очень хрупок, но он окружен стеной из лесов."
Используя сложный глаз в качестве модели, исследователи создали составной солнечный элемент, состоящий из огромных сот перовскитных микроячеек, каждая из которых заключена в каркас в форме шестиугольника шириной всего 0,02 дюйма (500 микрон).
«Эталон изготовлен из недорогой эпоксидной смолы, широко используемой в микроэлектронной промышленности», - сказал Ролстон. «Он устойчив к механическим нагрузкам и, следовательно, гораздо более устойчив к разрушению».
Испытания, проведенные в ходе исследования, показали, что строительные леса мало повлияли на способность перовскита преобразовывать свет в электричество.
«Мы получили почти такую же эффективность преобразования энергии от каждой маленькой перовскитной ячейки, которую мы получили бы от плоского солнечного элемента», - сказал Даускардт. «Таким образом, мы добились значительного увеличения сопротивления разрушению без потери эффективности».
Долговечность
Но сможет ли новое устройство выдержать такую жару и влажность, которые выдерживают обычные солнечные панели на крыше?
Чтобы выяснить это, исследователи подвергли инкапсулированные клетки перовскита воздействию температуры 185 градусов по Фаренгейту (85 градусов по Цельсию) и относительной влажности 85 процентов в течение шести недель. Несмотря на эти экстремальные условия, ячейки продолжали генерировать электроэнергию с относительно высокой эффективностью.
Даускардт и его коллеги подали предварительный патент на новую технологию. Чтобы повысить эффективность, они изучают новые способы рассеивания света от каркаса в перовскитовое ядро каждой клетки.
"Мы очень рады этим результатам", сказал он. «Это новый взгляд на проектирование солнечных элементов. Эти каркасные элементы также выглядят очень круто, поэтому у них есть несколько интересных эстетических возможностей для реальных приложений».
Другими соавторами исследования E&ES являются стэнфордские постдокторанты Брайан Уотсон и Адам Принц.