Источник: sciencedaily
Исследователь из Georgia Tech владеет солнечным элементом на основе перовскита, который является гибким и легче, чем версии на основе кремния.
Предоставлено: Роб Фелт, штат Джорджия.
В солнечных элементах на основе перовскита есть что любить. Они просты и дешевы в производстве, предлагают гибкость, которая может открыть широкий спектр новых способов и мест установки, и в последние годы достигли эффективности использования энергии, приближающейся к эффективности традиционных элементов на основе кремния.
Но выяснить, как производить энергетические устройства на основе перовскита, которые работают более двух месяцев, было непросто.
Теперь исследователи из Технологического института Джорджии, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Массачусетского технологического института сообщили о новых открытиях, касающихся солнечных батарей на основе перовскита, которые могут привести к созданию устройств, которые работают лучше.
«Перовскитные солнечные элементы обладают множеством потенциальных преимуществ, потому что они чрезвычайно легкие и могут быть изготовлены на гибких пластиковых подложках», - сказал Хуан-Пабло Корреа-Баэна, доцент в Технологической школе материаловедения и инженерии Джорджии. «Чтобы иметь возможность конкурировать на рынке с кремниевыми солнечными батареями, они должны быть более эффективными».
В исследовании, которое было опубликовано 8 февраля в журнале Science и спонсировалось Министерством энергетики США и Национальным научным фондом, исследователи более подробно описали механизмы того, как добавление щелочного металла к традиционным перовскитам приводит к повышению производительности.
«Перовскиты действительно могут изменить игру в солнечной среде», - сказал Дэвид Феннинг, профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «У них есть потенциал для снижения затрат без снижения производительности. Но еще многое предстоит узнать об этих материалах».
Чтобы понять кристаллы перовскита, полезно думать о его кристаллической структуре как о триаде. Одна часть триады обычно формируется из элемента свинца. Второй типично состоит из органического компонента, такого как метиламмоний, а третий часто состоит из других галогенидов, таких как бром и йод.
В последние годы исследователи сосредоточились на тестировании различных рецептов для достижения большей эффективности, таких как добавление йода и брома к ведущему компоненту структуры. Позже они попытались заменить цезий и рубидий частью перовскита, обычно занятой органическими молекулами.
«Из предыдущих работ мы знали, что добавление цезия и рубидия в смешанный перовскит брома и йода и свинца приводит к повышению стабильности и производительности», - сказал Корреа-Баэна.
Но мало было известно о том, почему добавление этих щелочных металлов улучшило характеристики перовскитов.
Чтобы точно понять, почему это, похоже, сработало, исследователи использовали высокоинтенсивное рентгеновское картирование для исследования перовскитов на наноуровне.
«Посмотрев на композицию материала перовскита, мы увидим, как каждый отдельный элемент играет роль в улучшении характеристик устройства», - сказал Янки (Грейс) Луо, аспирант кафедры наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Они обнаружили, что при добавлении цезия и рубидия в смешанный перовскит брома и йода-свинца это привело к более однородному смешиванию брома и йода, что привело к повышению эффективности конверсии на 2% по сравнению с материалами без этих добавок.
«Мы обнаружили, что однородность в химии и структуре - это то, что помогает солнечному элементу на основе перовскита работать в полную силу», - сказал Феннинг. «Любая неоднородность в этой магистрали похожа на слабое звено в цепи».
Тем не менее, исследователи также заметили, что, хотя добавление рубидия или цезия приводило к тому, что бром и йод становились более однородными, сами галогенидные металлы в их собственном катионе оставались довольно сгруппированными, создавая неактивные «мертвые зоны» в солнечном элементе, которые не производят ток.
«Это было удивительно, - сказал Феннинг. «Наличие этих мертвых зон обычно убивает солнечный элемент. В других материалах они действуют как черные дыры, которые всасывают электроны из других регионов и никогда не выпускают их, поэтому вы теряете ток и напряжение.
«Но в этих перовскитах мы увидели, что мертвые зоны вокруг рубидия и цезия не слишком пагубны для работы солнечного элемента, хотя были некоторые потери тока», - сказал Феннинг. «Это показывает, насколько прочны эти материалы, а также что есть еще больше возможностей для улучшения».
Полученные данные дополняют понимание того, как устройства на основе перовскита работают на наноразмерном уровне, и могут заложить основу для будущих улучшений.
«Эти материалы обещают быть очень экономически эффективными и высокопроизводительными, что в значительной степени необходимо для обеспечения широкого применения фотоэлектрических панелей», - сказал Корреа-Баэна. «Мы хотим попытаться компенсировать проблемы изменения климата, поэтому идея состоит в том, чтобы иметь как можно более дешевые фотоэлектрические элементы».
