Фрагменты пленки кристаллизуются с разной скоростью, из‑за чего возникают структурные дефекты. Они снижают эффективность и стабильность, делая фотоэлектрические ячейки недолговечными.
Статью можно прослушать
Перовскитный элемент из Китая усваивает 30% солнечного света и работает 1000 часов — это прорыв
Перовскитные тандемные фотоэлектрические элементы считаются одним из самых перспективных решений в солнечной энергетике. Они легки, более восприимчивы к слабому свету и менее энергозатратны в производстве, чем традиционные кремниевые панели. Совершить прорыв мешает технологический барьер — дефекты кристаллизации при производстве.
V-TOL Aerospace, Creative Commons
Асинхронная кристаллизация — одна из главных проблем в производстве многокомпонентных перовскитных пленок.
Достижение китайских ученых
Исследовательская группа Нинбоского института материаловедения и инженерии разработала тандемный солнечный элемент, который на испытаниях показал небывало высокие 30,3 % эффективности. Более того, его гибкий вариант тоже продемонстрировал КПД 28 %.
Слово «тандемный» говорит о том, что данные прототипы образуют два слоя пленки: один — из широкозонного, другой — из узкозонного перовскита. Первый имеет более широкий энергетический переход и предназначен для улавливания синего и ультрафиолетового света. Второй — для излучения красного и инфракрасного спектра. Тандемные фотоэлектрические элементы имеют более высокий совокупный КПД, чем кремниевые.
Прототипы сохранили 92 % первоначальной эффективности после 1000 часов работы, что считается хорошим результатом. А гибкая ячейка показала 95,2 % исходной эффективности после 10 000 циклов изгиба.
Униформная кристаллизация в эксперименте: слева жесткая пленка, справа гибкая.
Секрет успеха — удачный подбор химических компонентов
Для решения проблемы асинхронной кристаллизации команда применила метод аддитивного проектирования, основанный на принципе жестких и мягких кислот и оснований (ЖКМО). Согласно ему, «жесткие» кислоты предпочитают связываться с «жесткими» основаниями, а «мягкие» кислоты — с «мягкими» основаниями, образуя стабильные прочные соединения.
Главной сложностью было подобрать оптимальные добавки для синхронизации роста кристаллов. Команда использовала дифтор(оксалато)борат для широкозонных перовскитов и тетрафторборат для узкозонных. Наблюдая за кристаллизацией, ученые убедились, что они позволили добиться однородного роста кристаллов и высокой однородности пленки.
Достижение позволит ускорить разработку легких и эффективных солнечных технологий, при этом более дешевых в производстве, чем нынешние кремниевые, сообщает статья авторов работы, опубликованная в Nature Nanotechnology. Они могут найти применение в носимой электронике, энергетических системах для транспорта и там, где требуется гибкость.