В большинстве случаев фотоэлектрические элементы - устройства, преобразующие солнечный свет в электричество, - изготавливаются из кремния. Для производства солнечных ячеек, состоящих из кристаллов кремния, требуется много энергии. Как правило, все они являются результатом дорогостоящих многоэтапных технологических процессов. Именно поэтому солнечные панели в настоящее время стоят так дорого.

A person installing solar panels. Gustavo Fring/Pexels 

Однако недавно была найдена альтернатива кремнию, которая способна снизить стоимость и повысить эффективность солнечных элементов. Об этом сообщается в пресс-релизе Федеральной политехнической школа Лозанны на Eurekalert.org. Речь идет о смешанно-галоидных перовскитах - специальных материалах, которые могут служить идеальными кристаллами для солнечных батарей.

Перовскитовые солнечные элементы (PSC) были впервые предложены в 2009 году, и с тех пор ученые пытаются использовать их в производстве солнечных панелей. Однако PSC и смешанно-галоидные кристаллы перовскита очень нестабильны, поэтому даже спустя столько лет после их открытия на рынке по-прежнему доминируют кремниевые солнечные ячейки (SSC).  

Однако, судя по всему, время для перехода от кремния к перовскиту наконец-то настало. Группа исследователей из Швейцарского федерального технологического института Лозанны (EPFL) разработала уникальную методику, позволяющую одновременно повысить стабильность и эффективность перовскитных солнечных батарей.

Как сделать перовскитные солнечные элементы более практичными

Проблема смешанно-галоидных перовскитов заключается в том, что они имеют широкий энергетический зазор (разность энергий двух соседних энергетических уровней в материале). В широких зазорах электрическая активность отсутствует. Другими словами, электроны могут переноситься из одной энергетической полосы в другую только в том случае, если зазоры узкие.

 С другой стороны, полупроводниковый материал в солнечных элементах должен иметь более узкие зазоры, чтобы возбужденные солнечным светом электроны могли легко перемещаться к проводящим электродам и вырабатывать электричество. Кроме того, солнечный свет может вызвать сегрегацию галогенидов в смешанном галоген-перовските.

В новом исследовании предпринята попытка преодолеть ограничения металл-галогенидных перовскитовых солнечных элементов, чтобы в дальнейшем мы могли разработать более дешевые солнечные батареи. Stock image of a perovskite solar panel. audioundwerbung/iStock 

 Такая сегрегация еще больше снижает эффективность PSC в процессе эксплуатации. По словам исследователей, тандемные солнечные батареи, (т.е. элементы, содержащие как перовскит, так и кремний), не имеют таких проблем даже при повышенной интенсивности света.

"Одним из препятствий на пути к коммерциализации перовскитовых солнечных элементов является их эксплуатационная стабильность, что ставит их в невыгодное положение в сравнении с фотоэлектрическими технологиями, уже представленными на рынке. Это особенно актуально для смешанно-галоидных перовскитов, которые являются идеальными материалами для тандемных солнечных элементов", - рассказывают разработчики.

В данном исследовании предлагается эффективный способ преодоления недостатков PSC. Авторы утверждают, что предотвратить сегрегацию галогенидов можно путем обработки PSC двумя алкиламмониевыми модуляторами. Ученые протестировали работу двух PSC, разработанных по новой технологии, в течение 1 200 и 250 часов. Модулирующие компоненты позволили компенсировать потери энергии до такой степени, что общая производительность солнечных элементов заметно возросла.

В результате испытаний энергоэффективность солнечных элементов выросла более чем на 25 и 21 процент соответственно. Более того, ячейка, проработавшая 1200 часов, восстановила 90 процентов своей первоначальной энергоэффективности (у другого элемента этот показатель был равен 80 процентам).

Модуляторы позволили стабилизировать металл-галогенидные перовскитовые солнечные элементы (предотвратив сегрегацию) и сделать их более энергоэффективными. Ученые считают, что в перспективе новая технология позволит сделать перовскитовые элементы более доступными как для небольших, так и для крупномасштабных проектов.

Аннотация к проекту. Перовскитные солнечные элементы (PSC) произвели революцию в области исследований устойчивой энергетики. Однако их ограниченная стабильность до сих пор препятствовала коммерческому использованию. В этом исследовании ученые рассматривают два алкиламмоний-галоидных модулятора, которые синергетически улучшают эффективность преобразования энергии (PCE) и стабильность PSC а также подавляют индуцированную светом сегрегацию галоидной фазы в последних. Согласно полученным данным, показатели PCE составили 24,9% и 21,2%. При этом после 1200 и 250 часов непрерывной работы сохранилось соответственно ∼90% и ∼80% от первоначального PCE.  2D NMR (Двухмерная ядерная магнитно-резонансная спектроскопия см. график) показывает, что модуляторы локализованы на поверхностях и границах зерен. Вычислительные исследования позволили обосновать их более высокий эффект пассивации по сравнению с традиционными материалами. Благодаря решению критической проблемы стабильности, полученные результаты являются важным шагом на пути к крупномасштабному практическому применению перовскитных солнечных элементов.

Результаты этого эксперимента были опубликованы в издании Joule.   

Источники и ссылки: Journal Eurekalert, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), Journal interesting Engineering.

1. (https://www.eurekalert.org/news-releases/97521)    
2. (https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00571-2)    
3. (https://interestingengineering.com/science/perovskite-solar-cell-more-stable)
4. (https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/perovskite-solar-cell/)