Исследователи солнечной энергии из Университета штата Орегон проливают свет на материалы с кристаллической структурой, обнаруженные почти два столетия назад.
Не все материалы со структурой, известной как перовскиты, являются полупроводниками. Но перовскиты на основе металла и галогена обладают огромным потенциалом в качестве фотогальванических элементов, которые могут быть намного дешевле в производстве, чем элементы на основе кремния, которые владели рынком с момента его появления в 1950-х годах.
По мнению исследователей, достаточный потенциал, чтобы когда-нибудь значительно увеличить долю ископаемого топлива в энергетическом секторе.
Джон Лабрам из Инженерного колледжа OSU является соответствующим автором двух недавних статей о стабильности перовскитов, опубликованных в Communications Physics и Journal of Physical Chemistry Letters, а также внес вклад в статью, опубликованную сегодня в журнале Science.
Исследование, проведенное учеными из Оксфордского университета, показало, что молекулярная добавка - соль на основе органического соединения пиперидина - значительно увеличивает срок службы перовскитовых солнечных элементов.
Выводы, изложенные во всех трех статьях, углубляют понимание многообещающего полупроводника, основанного на давнем открытии российского минералога. В 1839 году в Уральских горах Густав Розе обнаружил оксид кальция и титана с интригующей кристаллической структурой и назвал его в честь русского дворянина Льва Перовского.
Перовскит теперь относится к ряду материалов, которые разделяют кристаллическую решетку оригинала. Интерес к ним начал возрастать в 2009 году после того, как японский ученый Цутому Миясака обнаружил, что некоторые перовскиты являются эффективными поглотителями света.
«Из-за своей низкой стоимости солнечные элементы на основе перовскита обладают потенциалом, позволяющим сократить потребление ископаемого топлива и произвести революцию на энергетическом рынке», - сказал Лабрам. «Однако одним из плохо изученных аспектов этого нового класса материалов является их стабильность при постоянном освещении, что представляет собой препятствие для коммерциализации».
За последние два года исследовательская группа Лабрама из Школы электротехники и компьютерных наук построила уникальный экспериментальный аппарат для изучения изменений проводимости солнечных материалов с течением времени.
«Совместно с Оксфордским университетом мы продемонстрировали, что светоиндуцированная нестабильность возникает в течение многих часов даже при отсутствии электрического контакта», - сказал он.«Выводы помогают прояснить аналогичные результаты, наблюдаемые в солнечных элементах, и являются ключом к повышению стабильности и коммерческой жизнеспособности перовскитных солнечных элементов».
Эффективность солнечных элементов определяется процентом мощности солнечного света, попадающего на элемент, который преобразуется в полезную электроэнергию.
Семь десятилетий назад Bell Labs разработала первый практичный солнечный элемент. У него был скромный, по сегодняшним меркам, КПД 6%, и его производство было дорогостоящим, но он нашел свою нишу в питании спутников, запущенных в первые дни космической гонки..
Со временем производственные затраты снизились, а эффективность возросла, хотя большинство элементов не сильно изменились - они по-прежнему состоят из двух слоев почти чистого кремния, легированного добавками. Поглощая свет, они используют его энергию для создания электрического тока в месте соединения между собой.
В 2012 году один из сотрудников Лабрама, Генри Снейт из Оксфорда, сделал революционное открытие, что перовскиты можно использовать в качестве основного компонента солнечных элементов, а не просто как сенсибилизатор. Это привело к бурной исследовательской деятельности и ежегодному опубликованию тысяч научных статей по этому вопросу. Восемь лет исследований спустя перовскитовые элементы теперь могут работать с эффективностью 25%, что делает их, по крайней мере, в лаборатории, наравне с коммерческими кремниевыми элементами.
Перовскитовые элементы можно недорого изготовить из общедоступных промышленных химикатов и металлов, их можно напечатать на гибких пластиковых пленках и производить в массовом порядке. Кремниевые элементы, напротив, являются жесткими и изготавливаются из тонко нарезанных пластин почти чистого кремния с помощью дорогостоящего высокотемпературного процесса.
Одной из проблем с перовскитами является их склонность к некоторой нестабильности при повышении температуры, а другой - уязвимость к влаге - сочетание, которое может привести к разложению клеток. Это проблема для продукта, который должен прослужить два или три десятилетия на открытом воздухе.
«В целом, чтобы иметь возможность продавать солнечную панель в США и Европе, требуется 25-летняя гарантия», - сказал Лабрам.«На самом деле это означает, что солнечный элемент должен показать не менее 80% своей первоначальной производительности через 25 лет. Нынешняя технология, кремний, довольно хороша для этого., 000 градусов Цельсия в контролируемых условиях, чтобы сформировать идеальные, бездефектные кристаллы, чтобы они функционировали должным образом."
Перовскиты, с другой стороны, очень устойчивы к дефектам, сказал Лабрам.
«Их можно растворить в растворителе, а затем распечатать при температуре, близкой к комнатной», - сказал он. «Это означает, что в конечном итоге их можно будет производить за долю стоимости кремния и, следовательно, снизить стоимость ископаемого топлива. Однако для этого они должны быть сертифицированы с 25-летней гарантией. Это требует от нас понимания и улучшения стабильность этих материалов."
Одним из путей выхода на рынок является тандемная ячейка из кремния и перовскитов, которая может преобразовывать большую часть спектра солнечного света в энергию. По словам Лабрама, лабораторные испытания тандемных ячеек показали эффективность 28%, а эффективность в районе 30% кажется реалистичной.
«Тандемные элементы могут позволить производителям солнечных панелей предложить производительность, превосходящую все, чего может достичь только кремний», - сказал он. «Двойной подход может помочь устранить барьер для перовскитов, выходящих на рынок, на пути к перовскитам, которые в конечном итоге будут действовать как автономные клетки».
Полупрозрачные пленки из перовскита однажды можно будет использовать на окнах или в теплицах, преобразовывая часть входящего солнечного света в электричество, пропуская остальную часть.
«Когда дело доходит до производства энергии, стоимость является наиболее важным фактором», - сказал Лабрам. «Сегодня кремний и перовскиты демонстрируют примерно одинаковую эффективность. Однако в долгосрочной перспективе перовскитные солнечные элементы могут быть произведены за долю стоимости кремниевых солнечных элементов. И хотя история показала нам, что политические действия в отношении изменения климата в значительной степени неэффективен, если вы можете производить электроэнергию из возобновляемых источников по более низкой цене, чем ископаемое топливо, все, что вам нужно сделать, это произвести продукт, тогда рынок позаботится обо всем остальном."