Перед авторами стояла цель — выяснить, как повысить эффективность солнечных технологий. Исследователи посчитали, что на КПД фотоэлектрических преобразователей влияет как толщина поглощающего слоя — перовскита, так и отдельные буферные слои. Речь идет об оксиде цинка и оксиде никеля. Результаты опубликованы в российском научном журнале «Теплоэнергетика».
Перовскитные фотоэлементы способны конкурировать с популярными кремниевыми батареями. Их отличает относительно низкая стоимость изготовления и высокий КПД. В своей модели авторы достигли значения 24,3% при толщине слоя перовскита примерно 1,55 микрометра. Расчетная удельная мощность составила 24,7 милливатта на квадратный сантиметр.
— Для сравнения: коммерческие модели кремния выдают КПД 16–18%. Мы не создавали слои экспериментально, а выполнили компьютерное моделирование в программе SCAPS-1D чтобы подобрать оптимальные параметры, — комментирует Артур Агоев.
Софт SCAPS-1D предназначен для моделирования фотоэлектрических устройств, решает систему уравнений Пуассона и описывает, как заряды движутся внутри полупроводника под действием электрического поля.
В структуру вошли несколько слоев:
- прозрачный электрод — оксида индия-олова (ITO);
- транспортный слой для электронов — оксид цинка (ZnO);
- поглотитель — перовскит (CH₃NH₃PbI₃);
- транспортный слой для дырок — оксид никеля (NiO);
- тыльный электрод — серебро (Ag).
Оксид цинка (ZnO) и никеля (NiO) выбраны не случайно: оксид цинка обеспечивает высокую подвижность электронов, а оксид никеля обладает дырочной проводимостью и хорошей эксплуатационной стабильностью. Оба материала отличаются доступностью и низкой стоимостью.
«Полученные результаты целесообразно использовать при оптимизации перовскитных фотоэлектрических преобразователей», — заключают авторы и отмечают, что их модель не учитывает деградацию перовскита. Поэтому следующим этапом исследований может стать изучение вопросов, связанных со стабильностью параметров материала, и экспериментальная верификация результатов моделирования.
Агоев сообщил, что работает над поиском альтернативных неорганических поглотителей — например на основе сульфидов металлов, которые могли бы дополнить или в перспективе составить конкуренцию перовскитам.
— Нужен материал с таким же поглощением света и подходящей шириной запрещенной зоны — эти параметры играют важную роль в эффективности солнечных элементов, — добавил ученый.