• Пн. Июн 14th, 2021

Исследователи повышают эффективность материалов для солнечных элементов нового поколения

Исследователи повышают эффективность материалов для солнечных элементов нового поколения

Исследователи повышают эффективность материалов для солнечных элементов нового поколения.

На этом изображении показаны фотоэлектрические элементы перовскита на заднем плане с отдельными кристаллами перовскита, показанными в виде разноцветных элементов. Предоставлено: CUBE3D Graphic.

Перовскиты являются ведущим кандидатом на замену кремния в качестве материала для солнечных панелей. Они предлагают потенциал для недорогого низкотемпературного производства ультратонких и легких гибких элементов, но до сих пор их эффективность в преобразовании солнечного света в электричество отставала от кремния и некоторых других альтернатив..

Теперь, благодаря новому подходу к конструкции перовскитных ячеек, этот материал стал соответствовать или превосходить эффективность сегодняшних типичных кремний ячейка, которая обычно колеблется от 20 до 22 процентов, закладывая основу для дальнейших улучшений.

Добавляя специально обработанный проводящий слой диоксида олова, связанного с перовскитным материалом, который обеспечивает улучшенный путь для носителей заряда в элементе, и, изменив формулу перовскита, исследователи повысили его общую эффективность как солнечного элемента до 25,2 процента, что является почти рекордным показателем для таких материалов. , что затмевает эффективность многих существующих солнечные панели. (Перовскиты по-прежнему значительно отстают по долговечности по сравнению с кремнием, однако над этой проблемой работают команды по всему миру.)

Результаты описаны в статье в журнале. Природа недавнего выпускника Массачусетского технологического института Джейсона Ю, доктора философии. ’20, профессор химии и профессор Лестера Вульфа Мунги Бавенди, профессор электротехники и информатики, профессор новых технологий Фариборз Маси Владимир Булович и еще 11 человек в Массачусетском технологическом институте, в Южной Корее и Грузии.

Перовскиты -это широкий класс материалов, определяемых тем фактом, что они имеют особый вид молекулярной структуры или решетки, которая напоминает структуру природного минерала перовскита. Существует огромное количество возможных химических комбинаций, из которых можно получить перовскиты, и Ю объясняет, что эти материалы привлекли интерес во всем мире, потому что «по крайней мере, на бумаге они могут быть намного дешевле, чем кремний или арсенид галлия», один из других ведущих претендентов. . Отчасти это связано с гораздо более простыми процессами обработки и производства, которые для кремния или арсенида галлия требуют постоянного нагрева более 1000 градусов по Цельсию. Напротив, перовскиты можно обрабатывать при температуре ниже 200 ° C либо в растворе, либо путем осаждения из паровой фазы..

Другое важное преимущество перовскита перед кремнием или многими другими кандидатами на замену заключается в том, что он образует чрезвычайно тонкие слои, при этом эффективно улавливая солнечную энергию. «Перовскитные элементы могут быть на несколько порядков легче по сравнению с кремнием», -говорит Бавенди..

Перовскиты имеют более широкую запрещенную зону, чем кремний, что означает, что они поглощают другую часть светового спектра и, таким образом, могут дополнять кремниевые элементы, обеспечивая еще большую комбинированную эффективность. Но даже используя только перовскит, говорит Ю, «мы демонстрируем, что даже с одним активным слоем мы можем добиться эффективности, угрожающей кремнию, и, надеюсь, в пределах досягаемости арсенида галлия. И обе эти технологии существуют уже давно. намного длиннее, чем у перовскитов ».

Бавенди объясняет, что одним из ключей к повышению эффективности материала была точная разработка одного слоя сэндвича, из которого состоит перовскитовый солнечный элемент, -слоя переноса электронов. Сам перовскит покрыт прозрачным проводящим слоем, используемым для переноса электрического тока из ячейки туда, где он может быть использован. Однако, если проводящий слой прикреплен непосредственно к самому перовскиту, электроны и их двойники, называемые дырками, просто рекомбинируют на месте, и ток не течет. В конструкции исследователей перовскит и проводящий слой разделены промежуточным слоем улучшенного типа, который может пропускать электроны, предотвращая рекомбинацию..

Этот средний уровень переноса электронов, и особенно интерфейсы, где он соединяется со слоями на каждой его стороне, как правило, является местом неэффективности. Изучая эти механизмы и создавая слой, состоящий из оксида олова, который более точно соответствует слоям, прилегающим к нему, исследователи смогли значительно снизить потери..

Используемый ими метод называется химическим осаждением из ванны. «Это похоже на медленное приготовление в мультиварке», -говорит Бавенди. В ванне с температурой 90 градусов Цельсия химические вещества-прекурсоры медленно разлагаются, образуя на месте слой диоксида олова. «Команда поняла, что если мы поймем механизмы разложения этих прекурсоров, то сможем лучше понять, как формируются эти пленки. Мы смогли найти правильное окно, в котором можно синтезировать слой переноса электронов с идеальными свойствами. "

После серии контролируемых экспериментов они обнаружили, что в зависимости от кислотности раствора-предшественника образуются разные смеси промежуточных соединений. Они также определили золотую середину композиций-предшественников, которые позволили реакции произвести гораздо более эффективную пленку..

Исследователи объединили эти шаги с оптимизацией самого слоя перовскита. Они использовали набор добавок к рецепту перовскита, чтобы улучшить его стабильность, что было опробовано ранее, но оказало нежелательное влияние на ширину запрещенной зоны материала, что сделало его менее эффективным поглотителем света. Команда обнаружила, что, добавляя гораздо меньшие количества этих добавок -менее 1 процента -они все еще могут получить положительный эффект без изменения ширины запрещенной зоны..

По словам Ю, в результате повышения эффективности этот материал уже достиг более 80 процентов от теоретической максимальной эффективности, которую могли бы иметь такие материалы..

Хотя эта высокая эффективность была продемонстрирована на крошечных лабораторных устройствах, Бавенди говорит, что «те идеи, которые мы приводим в этой статье, и некоторые из предлагаемых нами уловок потенциально могут быть применены к методам, которые люди сейчас разрабатывают для крупных предприятий. масштабировать производимые перовскитовые ячейки и, следовательно, повысить их эффективность ».

По его словам, у продолжения исследований есть два важных пути: продолжать раздвигать границы повышения эффективности и сосредоточиться на увеличении долговременной стабильности материала, которая в настоящее время измеряется месяцами, по сравнению с десятилетиями для кремниевых элементов. Но для некоторых целей, отмечает Бавенди, долголетие может быть не столь важным. Многие электронные устройства, такие как мобильные телефоны, в любом случае, как правило, заменяются в течение нескольких лет, поэтому могут быть полезные приложения даже для относительно недолговечных солнечные батареи.

«Я не думаю, что мы еще там с этими ячейками, даже для такого рода краткосрочных применений», -говорит он. «Но люди становятся все ближе, поэтому объединение наших идей в этой статье с идеями, которые есть у других людей, с большей стабильностью может привести к чему-то действительно интересному».

Роберт Хой, преподаватель материалов в Имперском колледже Лондона, который не участвовал в исследовании, говорит: «Это отличная работа международной группы». Он добавляет: «Это могло бы привести к большей воспроизводимости и отличной эффективности устройств, достигнутой в лаборатории при переводе на коммерческие модули. С точки зрения научных достижений, они не только достигают эффективности, которая была сертифицированным рекордом для перовскит солнечные элементы в течение большей части прошлого года, они также достигают напряжения холостого хода до 97 процентов от радиационного предела. Это поразительное достижение для солнечной энергии. клетки выросли из раствора ".

Дополнительная информация:

Джейсон Дж. Ю и др. Эффективные перовскитовые солнечные элементы за счет улучшенного управления операторами связи, Природа (2021 год). DOI: 10.1038 / s41586-021-03285-w

Предоставлено

Массачусетский Институт Технологий

Этот рассказ переиздан с разрешения MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании Массачусетского технологического института..