Новая конструкция солнечных элементов, в которой используются недорогие общедоступные материалы, может составить конкуренцию и даже превзойти обычные элементы из кремния.
В статье для журнала Science от 21 октября исследователи из Стэнфорда и Оксфорда описывают использование олова и других распространенных элементов для создания новых форм перовскита - фотогальванического кристаллического материала, который тоньше, гибче и проще в производстве, чем кристаллы кремния..
«Перовскитные полупроводники продемонстрировали большие перспективы для создания высокоэффективных солнечных элементов по низкой цене», - сказал соавтор исследования Майкл МакГихи, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде. «Мы разработали надежное полностью перовскитное устройство, которое преобразует солнечный свет в электричество с эффективностью 20,3%, что сравнимо с кремниевыми солнечными элементами, представленными сегодня на рынке».
Новое устройство состоит из двух перовскитных солнечных элементов, установленных тандемно. Каждая ячейка напечатана на стекле, но та же технология может быть использована для печати ячеек на пластике, добавил МакГихи.
«Продемонстрированные нами полностью перовскитные тандемные элементы четко очерчивают дорожную карту для тонкопленочных солнечных элементов, обеспечивающих эффективность более 30 процентов», - сказал соавтор Генри Снейт, профессор физики в Оксфорде. «Это только начало».
Тандемная технология
Предыдущие исследования показали, что добавление слоя перовскита может повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Но тандемное устройство, состоящее из двух цельноперовскитных ячеек, будет дешевле и менее энергоемким в изготовлении, говорят авторы.
«Кремниевая солнечная панель начинается с преобразования кварцевого камня в кристаллы кремния посредством процесса, который включает в себя температуру выше 3 000 градусов по Фаренгейту (1 600 градусов по Цельсию)», - сказал соавтор Томас Лейтенс, доктор наук. в Стэнфорде. «Перовскитные клетки можно обработать в лаборатории из обычных материалов, таких как свинец, олово и бром, а затем напечатать на стекле при комнатной температуре».
Но создание полностью перовскитного тандемного устройства оказалось трудной задачей. Основная проблема заключается в создании стабильных перовскитовых материалов, способных улавливать достаточно энергии солнца для получения приличного напряжения.
Типичная перовскитовая ячейка улавливает фотоны видимой части солнечного спектра. Фотоны с более высокой энергией могут заставить электроны в кристалле перовскита прыгать через «энергетическую щель» и создавать электрический ток.
Солнечный элемент с небольшой энергетической щелью может поглощать большинство фотонов, но производит очень низкое напряжение. Ячейка с большей энергетической щелью генерирует более высокое напряжение, но фотоны с меньшей энергией проходят прямо через нее.
Эффективное тандемное устройство будет состоять из двух идеально согласованных клеток, говорит соавтор Джайлс Эперон, оксфордский постдокторант, в настоящее время работающий в Вашингтонском университете.
«Ячейка с большей энергетической щелью будет поглощать фотоны более высокой энергии и генерировать дополнительное напряжение», - сказал Эперон. «Ячейка с меньшей энергетической щелью может собирать фотоны, которые не собираются первой клеткой, и все же производить напряжение».
Меньший разрыв оказался более сложной задачей для ученых. Работая вместе, Эперон и Лейтенс использовали уникальную комбинацию олова, свинца, цезия, йода и органических материалов, чтобы создать эффективную ячейку с небольшим энергетическим зазором.
«Мы разработали новый перовскит, который поглощает низкоэнергетический инфракрасный свет и обеспечивает эффективность преобразования 14,8%», - сказал Эперон. «Затем мы объединили его с перовскитовой ячейкой, состоящей из аналогичных материалов, но с большей энергетической щелью».
Результат: тандемное устройство, состоящее из двух перовскитовых ячеек с общей эффективностью 20,3 процента.
«Существуют тысячи возможных соединений для перовскитов, - добавил Лейтенс, - но этот работает очень хорошо, немного лучше, чем все, что было до него».
В поисках стабильности
Одной из проблем с перовскитами является стабильность. Солнечные панели на крыше, изготовленные из кремния, обычно служат 25 и более лет. Но некоторые перовскиты быстро разлагаются под воздействием влаги или света. В предыдущих экспериментах было обнаружено, что перовскиты, изготовленные из олова, особенно нестабильны.
Чтобы оценить стабильность, исследовательская группа подвергла обе экспериментальные ячейки температуре 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) в течение четырех дней.
«Важно отметить, что наши клетки демонстрируют превосходную термическую и атмосферную стабильность, беспрецедентную для перовскитов на основе олова», - пишут авторы.
«Эффективность нашего тандемного устройства уже намного превышает эффективность лучших тандемных солнечных элементов, изготовленных из других недорогих полупроводников, таких как малые органические молекулы и микрокристаллический кремний», - сказал МакГихи. «Те, кто видит потенциал, понимают, что эти результаты поразительны».
Следующим шагом является оптимизация состава материалов, чтобы поглощать больше света и генерировать еще более высокий ток, сказал Снайт.
«Универсальность перовскитов, низкая стоимость материалов и производства, теперь в сочетании с возможностью достижения очень высокой эффективности, будут преобразовывать фотоэлектрическую промышленность, как только будут доказаны технологичность и приемлемая стабильность», - сказал он.
Видео: