Вчені розробили новий метод для створення ефективних сонячних батарей

Сонячні матеріали наступного покоління дешевші та більш екологічні у виробництві, ніж традиційні кремнієві сонячні батареї, але залишаються перешкоди, щоб зробити пристрої достатньо міцними, щоб витримувати реальні умови. Нова методика, розроблена групою міжнародних вчених, може спростити розробку ефективних і стабільних перовскітних сонячних елементів, названих на честь їх унікальної кристалічної структури, яка чудово поглинає видиме світло.

Вчені, включно з викладачем штату Пенсильванія Нельсоном Дзаде, повідомили в журналі Nature Energy про свій новий метод створення більш довговічних перовскітних сонячних батарей, які все ще досягають високої ефективності 21,59% перетворення сонячного світла в електрику.

За словами Дзаде, доцента кафедри енергетики та мінеральної інженерії Джона та Віллі Леоне, перовскіти є багатообіцяючою сонячною технологією, оскільки елементи можна виготовляти при кімнатній температурі, використовуючи менше енергії, ніж традиційні кремнієві матеріали, що робить їх доступнішими та більш стійкими у виробництві. Сімейний факультет енергетики та мінеральної інженерії та співавтор дослідження.

Проте провідні кандидати, які використовуються для виготовлення цих пристроїв, гібридні органічно-неорганічні галогеніди металів, містять органічні компоненти, які сприйнятливі до вологи, кисню та тепла, і вплив реальних умов може призвести до швидкого погіршення продуктивності, кажуть вчені.

Одне з рішень передбачає використання повністю неорганічних перовскітних матеріалів, таких як йодид свинцю цезію, який має хороші електричні властивості та чудову толерантність до факторів навколишнього середовища. Однак цей матеріал є поліморфним, тобто він має кілька фаз із різними кристалічними структурами. Дві фотоактивні фази корисні для сонячних елементів, але вони можуть легко перетворитися на небажану нефотоактивну фазу при кімнатній температурі, що вносить дефекти та погіршує ефективність сонячних елементів, кажуть вчені.

Вчені поєднали два фотоактивні поліморфи йодиду свинцю цезію, щоб утворити фазовий гетероперехід, який може пригнічувати перетворення в небажану фазу, кажуть вчені. Гетеропереходи утворюються шляхом укладання різних напівпровідникових матеріалів, як шари в сонячному елементі, з різними оптоелектронними властивостями. Ці з’єднання в сонячних пристроях можна адаптувати, щоб допомогти поглинати більше енергії від сонця та ефективніше перетворювати її в електрику.

«Прекрасна річ у цій роботі полягає в тому, що вона показує, що виготовлення фазових гетероперехідних сонячних елементів шляхом використання двох поліморфів одного матеріалу — це шлях», — сказав Дзаде. «Це покращує стабільність матеріалу та запобігає взаємоперетворенню між двома фазами. Формування узгодженого інтерфейсу між двома фазами дозволяє електронам легко протікати через пристрій, що призводить до підвищення ефективності перетворення енергії. Саме це ми продемонстрували в цій роботі. «

Дослідники виготовили пристрій, який досяг ефективності перетворення потужності 21,59%, що є одним із найвищих показників для цього типу підходу, і чудової стабільності. За словами Дзаде, пристрої зберігали понад 90% початкової ефективності після 200 годин зберігання в умовах навколишнього середовища.

«Під час масштабування від лабораторії до реального сонячного модуля наш дизайн продемонстрував ефективність перетворення електроенергії 18,43% для площі сонячної батареї понад 7 квадратних дюймів (18,08 квадратних сантиметрів)», — сказав Дзаде. «Ці початкові результати підкреслюють потенціал нашого підходу для розробки надвеликих перовскітних сонячних модулів і достовірної оцінки їх стабільності».

Дзаде змоделював структуру та електронні властивості гетеропереходу в атомному масштабі та виявив, що об’єднання двох фотоактивних фаз створює стабільну та когерентну структуру інтерфейсу, яка сприяє ефективному розподілу та перенесенню зарядів — бажаним властивостям для досягнення високої ефективності сонячних пристроїв.

Колеги Дзаде з Університету Чоннам у Південній Кореї розробили унікальний метод подвійного осадження для виготовлення пристрою — осадження однієї фази за допомогою технології гарячого повітря, а іншої — за допомогою термічного випаровування з трьох джерел. Додавання невеликих кількостей молекулярних і органічних добавок під час процесу осадження ще більше покращило електричні властивості, ефективність і стабільність пристрою, сказав Саванта С. Малі, професор-дослідник Університету Чоннам в Південній Кореї та провідний автор статті.

«Ми вважаємо, що методика подвійного осадження, яку ми розробили в цій роботі, матиме важливі наслідки для виготовлення високоефективних і стабільних перовскітних сонячних елементів, що рухаються вперед», — сказав Нельсон Дзаде, доцент кафедри енергетики та мінеральної інженерії в Департаменті енергетики Джона та Віллі Леоне. і мінеральної інженерії та співавтор дослідження.

Дослідники сказали, що техніка подвійного осадження може прокласти шлях до розробки додаткових сонячних елементів на основі всіх неорганічних перовскітів або інших галогенідних перовскітових композицій. На додаток до поширення техніки на різні композиції, майбутня робота включатиме створення поточних елементів фазового гетеропереходу більш міцними в реальних умовах і масштабування їх до розміру традиційних сонячних панелей, кажуть дослідники.

«Завдяки такому підходу ми вважаємо, що в найближчому майбутньому можна буде збільшити ефективність цього матеріалу понад 25%», — сказав Дзаде. «І коли ми це робимо, комерціалізація стає дуже близькою».