Солнечные элементы из перовскита открывают большие перспективы для будущего солнечной энергетики. Этот материал дешев, прост в производстве и почти так же эффективен, как кремний, который традиционно используется в солнечных элементах. Однако перовскит быстро разлагается, что сильно ограничивает его эффективность и стабильность с течением времени. Исследователи из Технологического университета Эйндховена, Института энергетических исследований DIFFER, Пекинского университета и Университета Твенте обнаружили, что добавление небольшого количества фтора к перовскиту оставляет защитный слой, значительно увеличивая стабильность материалов и солнечных элементов. Солнечные элементы сохраняют 90 процентов своей эффективности после 1000 часов работы в различных экстремальных условиях испытаний. Результаты опубликованы сегодня в ведущем научном журнале Nature Energy..
Из-за того, что их очень дешево производить, перовскитные солнечные элементы были в центре многих недавних солнечных исследований. Как следствие, их эффективность выросла с менее чем 4 процентов в 2009 году до более 24 процентов в настоящее время, что близко к традиционным кремниевым элементам. Так называемые тандемные элементы, сочетающие кремниевые и перовскитовые элементы, достигают КПД более 28 процентов.
Несмотря на этот успех, перовскит имеет ряд дефектов, связанных с природой материала и способом его изготовления. Со временем вакансии в атомной структуре галогенида металла вызывают деградацию перовскита под воздействием влаги, света и тепла.
Защитный слой
Исследователи из Эйндховена, Твенте и Пекина экспериментировали с новым типом перовскита, добавляя небольшое количество фтора в процессе производства. Подобно фтору в зубной пасте, ионы фтора образуют защитный слой вокруг кристалла, предотвращая распространение вредных дефектов.
«Наша работа значительно улучшила стабильность перовскитных солнечных элементов», - говорит Шуся Тао, доцент Центра вычислительных энергетических исследований, совместного центра Департамента прикладной физики TU/e и DIFFER, и соавтор статьи. «Наши элементы сохраняют 90 процентов своей эффективности через 1000 часов в условиях экстремального освещения и тепла. Это во много раз больше, чем у традиционных перовскитных соединений. Мы достигаем эффективности 21,3 процента, что является очень хорошей отправной точкой для дальнейшего повышения эффективности."
Благодаря своей высокой электроотрицательности фторид стабилизирует решетку перовскита, образуя прочные водородные связи и ионные связи на поверхности материала.
Большая часть работы команды из Эйндховена посвящена объяснению того, почему фторид является таким эффективным ингредиентом по сравнению с другими галогенами. Используя компьютерное моделирование, они пришли к выводу, что часть его успеха связана с небольшим размером и высокой электроотрицательностью ионов фтора. Чем выше электроотрицательность элемента, тем легче он притягивает к себе электроны соседних элементов. Это помогает ионам фтора образовывать прочные связи с другими элементами в составе перовскита, образуя стабильный защитный слой.
Будущие исследования
Исследование рассматривается как важный шаг на пути к успешному внедрению перовскитных солнечных элементов в будущем. Однако многое еще предстоит сделать. Золотым стандартом в солнечной промышленности является коэффициент сохранения не менее 85 процентов от первоначальной эффективности через десять-пятнадцать лет, стандарт, который все еще далек от перовскитных элементов.
Мы ожидаем, что пройдет еще от пяти до десяти лет, прежде чем эти элементы станут коммерчески жизнеспособным продуктом. Нам необходимо не только повысить их эффективность и стабильность, но и получить более полное теоретическое представление о соответствующие механизмы на атомном уровне. У нас до сих пор нет ответов на все вопросы, почему одни материалы более эффективны, чем другие, в повышении долгосрочной стабильности этих клеток», - говорит Тао.