Новый дизайн для солнечных батарей, который использует недорогие, общедоступные материалы, может конкурировать и даже превосходить обычные ячейки из кремния.
Ученые использовали олово и другие обильные элементы для создания новых форм перовскита - фотовольтаического кристаллического материала, более тонкого, более гибкого и легкого в изготовлении, чем кристаллы кремния. Они сообщают о своих исследованиях в журнале Наука.
«Перовскитные полупроводники продемонстрировали большие перспективы для создания высокоэффективных солнечных элементов с низкой стоимостью», - говорит соавтор исследования Майкл Макгей, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете. «Мы разработали надежное, полностью-перовскитное устройство, которое преобразует солнечный свет в электричество с эффективностью 20.3 процентов, что сопоставимо с кремниевыми солнечными батареями на рынке сегодня».
Двойной стебель перовскита
Новое устройство состоит из двух перовскитных солнечных элементов, уложенных в тандеме. Каждая ячейка печатается на стекле, но та же технология может использоваться для печати клеток на пластике.
«Все перовскитные тандемные клетки, которые мы продемонстрировали, четко обозначают дорожную карту для тонкопленочных солнечных элементов, чтобы обеспечить эффективность 30 процентов», - говорит соавтор Генри Снайт, профессор физики в Оксфордском университете. "Это только начало."
Предыдущие исследования показали, что добавление слоя перовскита может повысить эффективность кремниевых солнечных элементов. Ученые говорят, что тандемное устройство, состоящее из двух полностью-перовскитовых ячеек, будет дешевле и менее энергоемким.
«Силиконовая солнечная панель начинается с превращения кварцевой породы в кристаллы кремния посредством процесса, который включает температуры выше 3,000 градусов по Фаренгейту (1,600 градусов Цельсия)», - говорит комиссар Томаш Лейтенс, постдокторский ученый из Стэнфорда. «Перовскитные клетки могут быть обработаны в лаборатории из обычных материалов, таких как свинец, олово и бром, а затем напечатаны на стекле при комнатной температуре».
Трудная задача
Но создание все-перовскитского тандемного устройства было сложной задачей. Основная проблема заключается в создании стабильных перовскитных материалов, способных захватывать достаточную энергию от солнца, чтобы обеспечить приличное напряжение.
Типичная перовскитовая ячейка собирает фотоны из видимой части солнечного спектра. Фотоны более высоких энергий могут заставить электроны в кристалле перовскита перепрыгнуть через «энергетическую щель» и создать электрический ток.
Солнечный элемент с небольшой энергетической щелью может поглощать большинство фотонов, но производит очень низкое напряжение. Ячейка с большей энергетической щелью генерирует более высокое напряжение, но фотоны с низкой энергией проходят через нее.
Эффективное тандемное устройство будет состоять из двух идеально подобранных ячеек, - говорит один из ведущих авторов Джайлс Эперон, докторант из Оксфорда, в настоящее время в Вашингтонском университете.
«Ячейка с большей энергетической щелью поглощает фотоны более высокой энергии и генерирует дополнительное напряжение», - говорит Эперон. «Ячейка с меньшей энергетической щелью может собирать фотоны, которые не собираются первой ячейкой, и все же создают напряжение».
Проблема стабильности
Меньший разрыв оказался более сложной задачей для ученых. Работая вместе, Эперон и Лейтенс использовали уникальную комбинацию олова, свинца, цезия, йода и органических материалов для создания эффективной ячейки с небольшой энергетической щелью.
«Мы разработали новый перовскит, поглощающий инфракрасный свет с более низким энергопотреблением и обеспечивающий эффективность преобразования 14.8 процентов», - говорит Эперон. «Затем мы объединили его с перовскитной ячейкой, состоящей из подобных материалов, но с большим энергетическим разрывом».
Результат: тандемное устройство, состоящее из двух перовскитных ячеек с комбинированной эффективностью 20.3 процентов.
«Есть тысячи возможных соединений для перовскитов, - говорит Лейтенс, - но эта работа очень хорошо, совсем немного лучше, чем что-либо перед ней».
Трюк «Клей» выращивает более крупные перовскитные солнечные элементы
Одной из проблем перовскитов является стабильность. Солнечные панели на крыше, сделанные из кремния, обычно длились 25 лет или более. Но некоторые перовскиты быстро разлагаются при воздействии влаги или света. В предыдущих экспериментах перовскиты с оловом оказались особенно неустойчивыми.
Для оценки стабильности исследовательская группа подвергла экспериментальные клетки воздействию температур 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов Цельсия) в течение четырех дней.
«Существенно, что мы обнаружили, что наши клетки демонстрируют отличную термическую и атмосферную стабильность, беспрецедентную для перовскитов на основе олова», пишут авторы.
«Эффективность нашего тандемного устройства уже намного превосходит лучшие тандемные солнечные элементы, изготовленные с использованием других недорогих полупроводников, таких как органические малые молекулы и микрокристаллический кремний», - говорит Макги. «Те, кто видит потенциал, понимают, что эти результаты потрясающие».
Следующий шаг - оптимизировать состав материалов, чтобы поглощать больше света и создавать еще более высокий ток, говорит Снайт.
«Универсальность перовскитов, низкая стоимость материалов и производства, в настоящее время в сочетании с потенциалом достижения очень высокой эффективности, будут преобразованы в фотоэлектрическую промышленность, когда технологичность и приемлемая стабильность также будут доказаны», - говорит он.
Другие исследователи из Стэнфордского, Оксфордского, Хасселтского университетов в Бельгии и SunPreme Inc. являются соавторами исследования.
Финансирование поступило от Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, Совета по исследованиям инженерных и физических наук Великобритании, Седьмой рамочной программы Европейского союза, Horizon 2020, Управления военно-морских исследований США и Проекта глобального климата и энергетики в Стэнфорде.
Источник: Стэндфордский Университет
Похожие книги:
at Внутренний рынок самовыражения и Amazon
