В НИУ ВШЭ сделали шаг к созданию солнечных батарей нового поколения

Результаты исследования представлены в статье A common optical approach to thickness optimization in polymer and perovskite solar cells в Scientific Reports. С каждым годом доля «зеленой», возобновляемой энергетики в мире только растет. При этом солнечная энергетика – это самый быстрорастущий сегмент альтернативной энергетики.

По прогнозам Мирового энергетического агентства (МЭА), к 2040 году доля солнечной энергии в мировой электрогенерации увеличится до 24 процентов. На фоне бурного развития отрасли вопрос себестоимости энергии стоит особенно остро. И за последнее время в этом отношении удалось достичь впечатляющих результатов за счет развития технологий и государственной поддержки.

По данным доклада МЭА, опубликованного осенью 2020 года, стоимость энергии, получаемой от солнечных электростанций, достигла исторического минимума. В Европе и США расценки варьируют от 35 до 55 долларов за МВт·ч, а в Китае и Индии – 20-40 долларов за Мвт·ч. Для сравнения, стоимость угля, согласно тому же отчету, колеблется от 55 до 150 долларов за МВт·ч. В докладе говорится, что четыре года назад, по данным Всемирного экономического форума, средняя стоимость солнечной энергии в мире составляла 100 долларов за МВт·ч, а десять лет назад – 300.

«Тем не менее на этом пути нельзя останавливаться, – считает  профессор департамента электронной инженерии НИУ ВШЭ, ведущий научный сотрудник учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем Алексей Тамеев. – В исследовании мы сфокусировались на моделировании оптических свойств полимерных и перовскитных солнечных элементов в зависимости от толщины их функциональных слоев. Такие солнечные элементы нового поколения весьма перспективны, так как для их производства подходят более простые и дешевые технологии, чем для привычных кремниевых».

Солнечным панелям из кремния требуется около двух лет, чтобы вернуть энергию, потраченную на добычу и очистку минерала, производство и установку батарей, а подобным панелям из перовскита – всего несколько месяцев. При этом значения КПД лабораторных образцов перовскитных элементов практически догнали кремниевые. Однако масштабирование полимерных и перовскитных элементов требует предварительной оптимизации параметров их функциональных слоев, чтобы минимизировать затраты времени и материалов при разработке технологии производства.

Оптимизация параметров фотоактивного слоя была выполнена в лаборатории по результатам измерений вольт-амперной характеристики солнечных элементов и моделирования эффективного показателя преломления с использованием матрицы переноса в рамках модели Максвелла – Гарнетта. Моделирование показало, что расчеты коэффициента поглощения и темпа генерации экситонов в фотоактивном слое достаточны для определения интервала значений толщины функционального слоя, при котором достигается максимальный КПД устройства. Получено полное соответствие экспериментальных и модельных данных для солнечных элементов разного строения – полимерного и перовскитного.

Важно, что предложенный подход относительно прост и не требует больших затрат времени для определения оптимальных параметров солнечных элементов при разработке экспериментальных образцов фотопреобразователей с повышенным КПД.

Статья опубликована в рамках проекта «Теоретико-экспериментальные исследования электронных и фотонных процессов в перспективных гетерогенных структурах, предназначенных для полимерных фотопреобразователей, с целью повышения эффективности этих устройств», выполняемого при поддержке Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. 

НИУ ВШЭ

298 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше