Технология создания солнечных элементов следующего поколения на перовскитах дешевле и экологичнее

В XXI веке всё бОльшее значение приобретают возобновляемые источники энергии (ВИЭ). С 2011 по 2021 год их доля в общем производстве энергии выросла с 20% до 28%. И одним из наиболее распространенных ВИЭ является солнечная фотоэлектрическая энергия, получаемая посредством солнечных батарей. 

На сегодняшний день, солнечные батареи - это один из самых перспективных и экологичных методов получения энергии. Он основан на использовании фотоэлектрического эффекта. Как мы все хорошо знаем из школьного курса физики, свет, попадая на полупроводниковый материал (как правило, кремний), создает в нем разность потенциалов. Это вызывает движение электронов, то есть, электрический ток.

Эффективность солнечных батарей может быть разной в зависимости от типа, качества и производителя. Для некоторых видов солнечных панелей она может достигать 25-ти и более процентов. Средние же цифры несколько скромнее и составляют около 15-20%. Тут стоит оговориться, что речь идет об эффективности коммерческих панелей, то есть доступных для приобретения любыми заинтересованными лицами.

Использование солнечных батарей позволяет существенно снизить зависимость от традиционных источников энергии, таких как уголь, нефть и природный газ. При этом существенно снижаются выбросы парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу.

Казалось бы, вот она, дорога в светлое зеленое будущее ! Но на деле не всё так безоблачно. Солнечные батареи имеют целый ряд недостатков, которые сдерживают их широкое применение. Причем эти недостатки можно условно разделить на две большие группы: фундаментальные (неустранимые) и текущие (устранимые). В этой статье мы не станем концентрироваться на фундаментальных недостатках. Они понятны и, увы, необоримы. Ну не будет работать солнечная батарея в темноте или при плохой освещенности, и вряд ли тут можно что-то изменить.

А вот на некоторых текущих недостатках стоит остановиться подробнее. Во-первых, хотя в последние годы наметилась тенденция на снижение стоимости солнечных батарей, они всё еще не всем по карману. Во-вторых, несмотря на кажущуюся экологичность, солнечные батареи нельзя в полной мере считать таковыми. Ведь процесс их производства требует довольно много энергии и, отнюдь, не экологичен.

Материалы для солнечных панелей следующего поколения будут дешевле и более экологичны в производстве, чем привычные кремниевые элементы, но пока остаются нерешенные проблемы на пути к тому, чтобы сделать устройства достаточно прочными и долговечными, способными сохранять свои характеристики в реальных условиях эксплуатации. Новая технология, предложенная интернациональной командой ученых, позволит упростить разработку эффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов, названных в честь их уникальной кристаллической структуры, которая превосходно поглощает видимый свет.

Перовскиты, на сегодняшний день, считаются весьма перспективной технологией, благодаря тому, что их можно производить при комнатной температуре, используя меньшее количество энергии, чем при производстве привычных кремниевых элементов. Это делает их более привлекательными с точки зрения экономики. Однако материалы, используемые для создания этих устройств, гибридные органо-неорганические галогениды металлов, содержат органические компоненты, чувствительные к внешним факторам: влаге, кислороду и теплу, и воздействие реальных условий может привести к быстрому снижению их производительности.

Одно из решений этой проблемы предполагает использование вместо этого  полностью неорганических перовскитных материалов, таких как йодид цезия и свинца, имеющий хорошие электрические свойства и превосходную устойчивость к факторам внешней среды. К сожалению, этот материал полиморфен, то есть имеет несколько своих разновидностей с различной кристаллической структурой. Две его фотоактивные фазы прекрасно подходят для создания солнечных элементов, но, увы, они могут легко превратиться в нежелательную нефотоактивную фазу даже в обычных условиях, что приводит к дефектам и снижению эффективности солнечного элемента. Это примерно тоже самое, как если бы чудесные алмазные сережки стали двумя кусочками сажи.

Ученые удалось объединить две фотоактивные полиморфные модификации йодида цезия и свинца, так чтобы сформировать фазовый гетеропереход, который может подавить переход в нежелательную фазу. Гетеропереходы образуются путем наложения различных полупроводниковых материалов, например слоев в солнечном элементе, с разными оптоэлектронными свойствами. Эти переходы в солнечных устройствах можно адаптировать так, чтобы они помогали поглощать больше солнечной энергии и более эффективно преобразовывать ее в электричество.

«Самое замечательное в этой работе то, что она показывает, что изготовление солнечных элементов с фазовым гетеропереходом с использованием двух полиморфов одного и того же материала — это перспективный путь. Это улучшает стабильность материала и предотвращает взаимное преобразование между двумя фазами. Формирование согласованного интерфейса между двумя фазами позволяет электронам легко проходить через устройство, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии», 

— сказал Нельсон Дзаде, преподаватель штата Пенсильвания и соавтор исследования.

Исследователи изготовили прототип, которыйе достиг эффективности преобразования энергии 21,59%, что является одним из самых высоких показателей для этого типа подхода, и обладает превосходной стабильностью. По словам Дзаде, устройства сохранили более 90% первоначальной эффективности после 200 часов хранения в условиях окружающей среды.

«Эти предварительные подчеркивают потенциал нашего подхода для разработки сверхбольших модулей перовскитных солнечных элементов и надежной оценки их стабильности. Мы считаем, что благодаря такому подходу в ближайшем будущем можно будет поднять эффективность этого материала выше 25%. И как только мы это сделаем, коммерциализация станет очень близкой»,

- заявил Дзаде