Перовскитные фотоэлементы в новом дизайне могут превзойти все существующие технологии

tandemnaya-tehnologiyaНовая конструкция фотоэлементов, в которой используются недорогие, обычно доступные материалы, сможет составить конкуренцию и даже превзойти обычные фотоэлементы, изготовленные из кремния.

«Перовскитные полупроводники показали большие перспективы для создания высокоэффективных фотоэлементов при низких затратах,» сказал соавтор исследования Майкл Макги, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфорде. «Мы разработали надежное, полностью перовскитное устройство, которое преобразует солнечный свет в электричество с эффективностью 20,3 процента, со скоростью, сравнимой с кремниевыми фотоэлементами, присутствующими на рынке сегодня.»

Новое устройство состоит из двух перовскитных фотоэлементов, сложенных вместе. Каждый из фотоэлементов печатается на стекле, но эту же технологию можно использовать и для печати фотоэлементов на пластике, добавил Макги.

«Полностью перовскитные тандемные фотоэлементы, которые мы продемонстрировали, четко определяют дорожную карту для тонкослойных фотоэлементов, чтобы обеспечить более 30% эффективности,» сказал соавтор Генри Снайт, профессор физики в Оксфорде. «Это только начало.»

Тандемная технология

Предыдущие исследования показали, что добавление слоя перовскита может повысить эффективность кремниевых фотоэлементов. Но что касается тандемного устройства, то состоя из двух полностью перовскитных фотоэлементов, они будут дешевле, а их создание будет менее энергоемким, говорят авторы.

«Кремниевая солнечная батарея начинается с превращения диоксида кремния в кремниевые кристаллы во время процесса, для которого требуется температура выше 3000 градусов по Фаренгейту (1600 градусов по Цельсию),» говорит соавтор Томас Лейтенс, докторант в Стэнфорде. «Перовскитные фотоэлементы могут быть созданы в лаборатории из обычных материалов, таких как свинец, олово и бром, а затем напечатаны на стекле при комнатной температуре.»

Но создание полностью перовскитного тандемного устройства было трудной задачей. Основная проблема заключается в создании стабильных перовскитных материалов, способных захватывать достаточно энергии от солнца, чтобы произвести приличное напряжение.

Типичный перовскитный фотоэлемент захватывает фотоны видимой части солнечного спектра. Более высокоэнергетические фотоны могут заставить электроны в кристалле перовскита перепрыгнуть через «энергетической зоны (щели)» и создать электрический ток.

Фотоэлемент с небольшой энергетической зоной (щелью) может поглотить больше фотонов, но производит очень низкое напряжение. Фотоэлемент с большей энергетической щелью создает более высокое напряжение, но прямо через него проходят фотоны с более низкой энергией.

Эффективное тандемное устройство тандем будет состоять из двух идеально подходящих друг другу фотоэлементов, говорит ведущий соавтор Джайлс Эперон, докторант из Оксфорда, в настоящее время в Университете штата Вашингтон.

«Фотоэлемент с более широкой энергетической зоной будет поглощать больше фотонов и генерировать дополнительное напряжение,» сказал Эперон. «Фотоэлемент с меньшей энергетической зоной может собирать фотоны, пропущенные первым фотоэлементом, и все еще создавать напряжение.» Меньшая энергетическая зона оказалась более сложной задачей для ученых. Работая вместе, Эперон и Лейтенс использовали уникальное сочетание олова, свинца, цезия, йода и органических материалов, чтобы создать эффективный фотоэлемент с небольшой энергетической зоной. «Мы разработали новый перовскит, который поглощает инфракрасное излучение с более низкой энергией и обеспечивает эффективность преобразования 14,8%,» сказал Эперон. «Затем мы объединили его с перовскитным фотоэлементом, состоящим из подобных материалов, но с большей широкой энергетической зоной.» Результат: тандемное устройство, состоящее из двух перовскитных фотоэлементов, имеет суммарное КПД 20,3%. «Существуют тысячи возможных соединений для перовскитов,» добавил Лейтенс», но это работает очень хорошо, даже немного лучше, чем что-либо до этого.»

Поиск стабильности

Одна из проблем перовскитов является их стабильность. Крышные солнечные батареи из кремния обычно служат 25 лет или больше. Но некоторые перовскиты деградируют быстро, когда подвергаются воздействию влаги или света. В предыдущих экспериментах было выявлено, что перовскиты из олова особенно нестабильные. Для оценки стабильности исследовательская группа подвергала оба экспериментальных фотоэлемента температуре 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов по Цельсию) в течение четырех дней. «Кардинально мы обнаружили, что наши фотоэлементы обладают превосходной термической и атмосферной стабильностью, беспрецедентной для перовскитов на основе олова», пишут авторы.

«Эффективность нашего тандемного устройства уже значительно превышает лучшие тандемные фотоэлементы из других полупроводников с низким уровнем затрат, таких как органический мелкомолекулярный и микрокристаллический кремний», сказал Макги. «Те, кто видит потенциал, понимают, что эти результаты поражают.» Следующим шагом является оптимизация состава материалов, чтобы они поглощали больше света и генерировали еще более высокий ток, сказал Снейт. «Универсальность перовскитов, низкая стоимость материалов и производства, а теперь и в сочетании с потенциалом для достижения очень высокой эффективности, будет революционной для солнечной промышленности, как только будут доказаны их технологичность и приемлемая стабильность,» сказал он.

Источник: https://solarthermalmagazine.com/2016/10/21/new-perovskite-solar-cell-design-outperform-existing-technologies/

Контакты

ул.Космонавтов 81/6, г.Николаев, Украина
+38 (067) 512 33 83
nfo@sunnik.com.ua
sunnik
sunnik