Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США (DOE) разработали новые чернила на основе перовскита с длительным периодом обработки, которые позволяют масштабировать производство тонких перовскитных пленок для высокоэффективных солнечных элементов.
Доказанная высокая эффективность преобразования солнечного света в электричество, перовскитные солнечные элементы еще не вышли за пределы лаборатории. Кристаллическая структура перовскитов должна быть тщательно выращена на подложке, что обычно делается методом центрифугирования в лабораторных масштабах - технология, которую нельзя масштабировать до крупномасштабного производства. Лучшие устройства, изготовленные с использованием масштабируемых методов осаждения, которые подходят для будущего производства модулей, все еще отстают от современных устройств с центрифужным покрытием.
Как ученые NREL преодолели это препятствие, изложено в новой статье, опубликованной в Nature Energy, перовскитовых чернилах с широким окном обработки для масштабируемых высокоэффективных солнечных элементов. Кай Чжу, старший научный сотрудник Центра химии и нанотехнологий NREL, является ведущим автором. Соавторами являются Мэнджин Ян, Чжэнь Ли, Мэтью Риз, Обадия Рид, Донг Хо Ким, Себастьян Сиол, Талиса Кляйн, Джозеф Берри и Майкл ван Хест из NREL, а также Янфа Ян из Университета Толедо..
Для создания перовскитовой пленки на подложку наносится покрытие из химических веществ и нагревается до полной кристаллизации материала. Различные этапы часто пересекаются друг с другом и усложняют процесс. Одна чрезвычайно важная стадия требует добавления антирастворителя, который извлекает химические вещества-предшественники и, таким образом, создает кристаллы хорошего качества. Окно для этого шага открывается и закрывается в течение нескольких секунд, что вредно для производства из-за точности, необходимой для создания этого временного окна.
Исследователи NREL смогли держать это окно открытым в течение 8 минут.
Формула прекурсора перовскитных чернил включала хлорсодержащий прекурсор йодистого свинца метиламмония вместе с настройкой растворителя в сочетании с антирастворителем, который можно было наносить на подложку методом центрифугирования или методом лезвия. Оба метода были протестированы и дали неотличимую морфологию пленки и характеристики устройства. Покрытие лопастей более привлекательно для производителей, поскольку его можно легко масштабировать.
Исследователи протестировали один прекурсор чернил, содержащий избыток йодистого метиламмония (MAI), и второй, содержащий добавленный хлорид метиламмония (MAI). MACI оказался наиболее эффективным для сокращения продолжительности термической обработки перовскитов, сократив время примерно до минуты по сравнению с 10 минутами для раствора MAI. Более короткое время также должно сделать процесс более привлекательным для производителей.
Используя поглотители с лопастным покрытием, ученые NREL изготовили перовскитовый модуль с четырьмя ячейками размером около 12,6 квадратных сантиметров. Из них 11,1 квадратных сантиметра активно преобразовывали солнечный свет в энергию со стабильной эффективностью 13,3 процента.