Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (NREL) создали экологически стабильный высокоэффективный перовскитный солнечный элемент, сделав новую технологию на шаг ближе к коммерческому внедрению.
За последнее десятилетие перовскиты быстро превратились в многообещающую технологию, которая теперь способна преобразовывать около 23 процентов солнечного света в электричество, но все еще требуется работа, чтобы сделать устройства достаточно прочными для длительного использования. Некапсулированный солнечный элемент NREL - элемент, используемый для испытаний и не имеющий защитного барьера, такого как стекло, между проводящими частями элемента и элементами - сохранял 94% своей пусковой эффективности после 1000 часов непрерывного использования в условиях окружающей среды. к исследованию, опубликованному в Nature Energy.
«Во время тестирования мы намеренно подвергаем клетки несколько большей нагрузке, чем в реальных приложениях, чтобы ускорить старение», - сказал Джозеф Лютер, который вместе с Джозефом Берри руководил работой под названием «Специализированные интерфейсы неинкапсулированного перовскита». Солнечные элементы на >1000 часов стабильной работы». «Солнечная батарея в полевых условиях обычно работает только тогда, когда светит солнце. В этом случае даже после 1000 часов испытаний ячейка все время могла генерировать энергию».
Несмотря на то, что необходимы дополнительные испытания, чтобы доказать, что элементы могут работать в течение 20 или более лет в полевых условиях (типичный срок службы солнечных панелей), это исследование представляет собой важный ориентир для определения того, что перовскитные солнечные элементы более стабильны, чем ранее думал.
Типичная конструкция перовскитного солнечного элемента заключает перовскит между транспортным материалом дырок, тонкой пленкой органической молекулы под названием спиро-OMeTAD, легированной ионами лития, и слоем переноса электронов из диоксида титана, или TiO2.. Этот тип солнечных элементов испытывает почти мгновенное падение эффективности на 20 процентов, а затем неуклонно снижается по мере того, как становится все более нестабильным.
«Что мы пытаемся сделать, так это устранить самые слабые звенья в солнечной батарее», - сказал Лютер. Исследователи предположили, что замена слоя спиро-OMeTAD может остановить первоначальное падение эффективности клетки. Ионы лития в пленке spiro-OMeTAD бесконтрольно перемещаются по устройству и поглощают воду. Свободное движение ионов и присутствие воды вызывают деградацию клеток. Новая молекула, получившая название EH44 и разработанная Аланом Селлинджером из Школы горного дела Колорадо, была включена в качестве замены спиро-OMeTAD, поскольку она отталкивает воду и не содержит лития. «Эти два преимущества заставили нас поверить, что этот материал будет лучшей заменой», - сказал Лютер.
Использование EH44 в качестве верхнего слоя решило более позднюю более постепенную деградацию, но не решило начальное быстрое снижение, которое наблюдалось в эффективности ячейки. Исследователи попробовали другой подход, на этот раз заменив нижний слой ячейки из TiO2 на слой с оксидом олова (SnO2). При использовании как EH44, так и SnO2, а также стабильной замены перовскитового материала и металлических электродов эффективность солнечных элементов оставалась неизменной. Эксперимент показал, что новый слой SnO2 решил проблемы химического состава, наблюдаемые в слое перовскита при нанесении на исходную пленку TiO2.
«Это исследование показывает, как сделать устройства намного более стабильными», - сказал Лютер. «Это показывает нам, что каждый из слоев клетки может играть важную роль в деградации, а не только активный слой перовскита».
Финансирование исследования поступило от Управления технологий солнечной энергии Министерства энергетики США.