Класс материалов, называемых перовскитами, стал многообещающей альтернативой кремнию для изготовления недорогих и эффективных солнечных элементов. Но при всех своих обещаниях перовскиты не лишены недостатков. Большинство из них содержат свинец, который очень токсичен, и включают органические материалы, которые не особенно стабильны при воздействии окружающей среды.
Теперь группа исследователей из Университета Брауна и Университета Небраски в Линкольне (UNL) разработала новый материал на основе титана для изготовления бессвинцовых солнечных элементов из неорганического перовскита. В статье, опубликованной в журнале Joule (новый дочерний журнал Cell, посвященный энергетике), исследователи показывают, что материал может быть хорошим кандидатом, особенно для изготовления тандемных солнечных элементов - устройств, в которых перовскитные элементы размещаются поверх силикон или другой зарекомендовавший себя материал для повышения общей эффективности.
«Титан является распространенным, надежным и биосовместимым элементом, который до сих пор в значительной степени игнорировался в исследованиях перовскита», - сказал старший автор новой статьи Нитин Падчер, профессор Университета Отиса Э. Рэндалла в Брауновском университете. Школа инженерии и директор Института молекулярных и наноразмерных инноваций. «Мы показали, что можно использовать материал на основе титана для изготовления тонкопленочных перовскитов и что этот материал обладает благоприятными свойствами для применения в солнечной энергетике, которые можно настраивать».
Интерес к перовскитам, классу материалов с особой кристаллической структурой, для чистой энергетики возник в 2009 году, когда было показано, что они способны преобразовывать солнечный свет в электричество. Первые солнечные элементы на основе перовскита имели эффективность преобразования всего около 4 процентов, но она быстро выросла почти до 23 процентов, что составляет конкуренцию традиционным кремниевым элементам. И перовскиты предлагают некоторые интригующие преимущества. Их потенциально дешевле производить, чем кремниевые элементы, и они могут быть частично прозрачными, что позволяет использовать новые технологии, такие как окна, которые генерируют электричество.
«Одним из основных направлений исследований перовскита является отказ от материалов на основе свинца и поиск новых материалов, которые нетоксичны и более стабильны», - сказал Падтуре. «Используя компьютерное моделирование, наши коллеги-теоретики из UNL предсказали, что класс перовскитов с цезием, титаном и галогенным компонентом (бром и/или йод) является хорошим кандидатом. Следующим шагом было создание солнечного элемента с использованием этого материала и проверить его свойства, и это то, что мы здесь сделали."
Команда изготовила полупрозрачные пленки из перовскита с шириной запрещенной зоны - мерой уровня энергии фотонов, которые материал может поглощать - равной 1.8 электрон-вольт, что считается идеальным для тандемных солнечных батарей. Материал имел эффективность преобразования 3,3 процента, что значительно ниже, чем у элементов на основе свинца, но исследователи говорят, что это хорошее начало для совершенно нового материала..
«Существует множество инженерных решений, которые можно использовать для повышения эффективности», - Юаньюань Чжоу, доцент инженерных наук в Брауновском университете и соавтор исследования. «Мы считаем, что этот материал можно улучшить».
Мин Чен, доктор философии. студент факультета материаловедения в Брауновском университете и первый автор статьи использовал метод высокотемпературного испарения для подготовки пленок, но говорит, что команда изучает альтернативные методы. «Мы также ищем новые низкотемпературные и основанные на растворителях методы для снижения потенциальной стоимости производства элементов», - сказал он.
Исследование показало, что этот материал имеет ряд преимуществ по сравнению с другими бессвинцовыми альтернативами перовскиту. Одним из претендентов на звание бессвинцового перовскита является материал, сделанный в основном из олова, которое легко ржавеет при воздействии окружающей среды. Титан, с другой стороны, устойчив к ржавчине. Титан-перовскит также имеет напряжение холостого хода - показатель общего напряжения, доступного от солнечного элемента - более одного вольта. Другие бессвинцовые перовскиты обычно производят напряжение менее 0,6 вольта.
«Напряжение холостого хода является ключевым свойством, которое мы можем использовать для оценки потенциала материала солнечного элемента», - сказал Падчер. «Итак, иметь такое высокое значение в начале очень многообещающе».
Исследователи говорят, что относительно большая ширина запрещенной зоны материала по сравнению с кремнием делает его главным кандидатом на роль верхнего слоя в тандемном солнечном элементе. Верхний слой титана-перовскита будет поглощать фотоны более высоких энергий от солнца, которые нижний кремниевый слой не может поглощать из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Между тем, фотоны с более низкой энергией будут проходить через полупрозрачный верхний слой и поглощаться кремнием, тем самым увеличивая общую поглощающую способность ячейки.
«Тандемные клетки - это легковесный фрукт, когда дело доходит до перовскитов», - сказал Падчер. «Мы пока не собираемся заменять существующую кремниевую технологию, но вместо этого мы стремимся улучшить ее. Поэтому, если вы можете сделать тандемную бессвинцовую ячейку, которая будет стабильной, то это победитель. Этот новый материал выглядит как хороший кандидат."
Другими соавторами статьи были Мин-Ган Цзюй, Александр Карл, Инся Цзун, Рональд Гримм, Цзяцзюнь Гу и Сяо Чэн Цзэн. Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OIA-1538893, DMR-1420645).