Солнечные элементы, изготовленные из недорогого и все более популярного материала под названием перовскит, могут более эффективно преобразовывать солнечный свет в электричество с помощью новой технологии, состоящей из двух типов перовскита в одном фотоэлектрическом элементе.
Перовскитовые солнечные элементы состоят из смеси органических молекул и неорганических элементов, которые вместе улавливают свет и преобразуют его в электричество, точно так же, как сегодня более распространенные солнечные элементы на основе кремния. Однако перовскитные фотоэлектрические устройства могут быть изготовлены проще и дешевле, чем кремниевые, и на гибкой, а не на жесткой подложке. Первые перовскитные солнечные элементы могут появиться на рынке в следующем году, и некоторые из них, как сообщается, улавливают 20 процентов солнечной энергии.
В статье, появившейся в Интернете перед публикацией в журнале Nature Materials, ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли сообщают о новой конструкции, которая уже обеспечивает средний стационарный КПД 18,4 процента при максимум 21,7 процента и пиковая эффективность 26 процентов.
«Теперь мы установили рекорд по различным параметрам перовскитных солнечных элементов, включая эффективность», - сказал старший автор Алекс Зеттл, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, старший преподаватель лаборатории Беркли и член Kavli Energy. Институт нанотехнологий. «Эффективность выше, чем у любой другой перовскитовой ячейки - 21.7 процентов - феноменальная цифра, учитывая, что мы только начинаем ее оптимизировать».
«У него есть большой потенциал стать самым дешевым фотогальваником на рынке, который можно подключить к любой домашней солнечной системе», - сказал Онур Эрген, ведущий автор статьи и аспирант кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли.
Эффективность также лучше, чем 10-20-процентная эффективность поликристаллических кремниевых солнечных элементов, используемых для питания большинства электронных устройств и домов. Даже самые чистые кремниевые солнечные элементы, которые чрезвычайно дороги в производстве, достигли максимальной эффективности около 25 процентов более десяти лет назад.
Это достижение стало возможным благодаря новому способу объединения двух перовскитных материалов для солнечных элементов, каждый из которых настроен на поглощение солнечного света разной длины волны или цвета, в один солнечный элемент с «градуированной запрещенной зоной», который поглощает почти весь спектр видимого света.. Предыдущие попытки объединить два перовскитных материала не увенчались успехом, поскольку материалы ухудшали электронные характеристики друг друга.
«Это реализует солнечный элемент с регулируемой шириной запрещенной зоны в относительно простой в управлении и манипулируемой системе», - сказал Зеттл. «Преимущество этого заключается в том, что он сочетает в себе две очень ценные функции - градуированную ширину запрещенной зоны, известный подход, с перовскитом, относительно новым, но известным материалом с удивительно высокой эффективностью - чтобы получить лучшее из обоих миров».
Солнечные элементы полного спектра
Материалы, такие как кремний и перовскит, являются полупроводниками, а это означает, что они проводят электричество только в том случае, если электроны могут поглотить достаточно энергии - например, от фотона света - чтобы вытолкнуть их через запрещенную энергетическую или запрещенную зону. Эти материалы предпочтительно поглощают свет при определенных энергиях или длинах волн - энергии запрещенной зоны - но неэффективно при других длинах волн.
«В этом случае мы просматриваем весь солнечный спектр от инфракрасного до всего видимого спектра», - сказал Эрген.«Наши теоретические расчеты эффективности должны быть намного выше и проще, чем для однозонных солнечных элементов, потому что мы можем максимизировать охват солнечного спектра».
Ключом к объединению двух материалов в тандемный солнечный элемент является слой гексагонального нитрида бора толщиной в один атом, который выглядит как слой куриной сетки, отделяющий слои перовскита друг от друга. В этом случае перовскитные материалы состоят из органических молекул метила и аммиака, но один содержит металлы олово и йод, а другой содержит свинец и йод, легированные бромом. Первый настроен на преимущественное поглощение света с энергией 1 электрон-вольт (эВ) - инфракрасного или теплового излучения, а второй - на поглощение фотонов с энергией 2 эВ или янтарного цвета.
Монослой нитрида бора позволяет двум перовскитовым материалам работать вместе и производить электричество из света во всем диапазоне цветов от 1 до 2 эВ.
Сэндвич из перовскита и нитрида бора помещается поверх легкого аэрогеля графена, который способствует росту более мелкозернистых кристаллов перовскита, служит барьером для влаги и помогает стабилизировать перенос заряда через солнечный элемент, сказал Зеттл. От влаги перовскит разваливается.
Все это закрыто снизу золотым электродом, а сверху слоем нитрида галлия, который собирает электроны, генерируемые внутри ячейки. Активный слой тонкопленочного солнечного элемента имеет толщину около 400 нанометров.
«Наша архитектура немного похожа на строительство качественной автомобильной дороги», - сказал Зеттл. «Графеновый аэрогель действует как твердый нижний слой или основание из дробленой породы, два слоя перовскита подобны более мелкому гравию и слоям песка, нанесенным поверх него, а слой гексагонального нитрида бора действует как тонколистовая мембрана между гравием и песок, который предотвращает диффузию песка в более мелкий гравий или его чрезмерное смешивание с более мелким гравием. Слой нитрида галлия служит верхним слоем асфальта."
Можно добавить еще больше слоев перовскита, разделенных гексагональным нитридом бора, хотя в этом нет необходимости, учитывая эффективность широкого спектра, которую они уже получили, заявили исследователи.
«У людей была идея простых в изготовлении фотогальванических элементов из рулона в рулон, где вы снимаете пластик с рулона, распыляете на солнечный материал и сворачиваете его обратно», - сказал Зеттл. «С этим новым материалом мы находимся в режиме массового производства с рулона на рулон; это действительно почти как окраска распылением».