Китайские ученые побили рекорд эффективности полностью перовскитных солнечных элементов

В частности, ученые разработали стратегию реконструкции поверхности и выравнивания распределения галогенидов, предназначенную для устранения факторов, ограничивающих эффективность перовскитных пленок с ультраширокой запрещенной зоной 2,0 электронвольта.

В результате был создан трехпереходный перовскитный солнечный элемент с впечатляющей эффективностью преобразования энергии 30,1% (сертифицированное значение — 29,3%). Согласно исследованию, такая интегрированная конструкция сохраняет высокую стабильность при непрерывной работе и в перспективе может позволить повысить эффективность многослойных солнечных элементов до более чем 35%.

Сегодня в солнечной энергетике по-прежнему доминируют стандартные кремниевые панели, однако их физические характеристики ограничивают количество солнечного света, которое они способны преобразовать в электричество. Перовскиты представляют собой перспективную альтернативу: эти синтетические материалы можно объединять в несколько слоев, чтобы эффективнее поглощать более широкий диапазон длин волн солнечного спектра.

Для улавливания высокоэнергетического солнечного излучения ученые создают перовскитные пленки с ультраширокой запрещенной зоной 2,0 электронвольта, содержащие большое количество брома. Однако высокое содержание брома приводит к непредсказуемому поведению материала в процессе изготовления. Верхняя поверхность пленки высыхает и кристаллизуется первой, тогда как нижняя часть остается влажной. Такое несоответствие приводит к образованию жесткой внешней оболочки над еще жидкой внутренней частью. В результате пленка покрывается складками и трещинами, а ее химические компоненты распределяются неравномерно. Это приводит к потерям энергии и значительным потерям напряжения.

Исследователи решили проблему с помощью двухэтапной технологии обработки, которая одновременно выравнивает поверхность материала и контролирует процесс формирования кристаллов.

Неравномерное высыхание удалось устранить благодаря сочетанию специальной обработки растворителем и небольшого количества добавки — хлорида олеиламмония. Сбалансированное воздействие растворителя изменяет форму и выравнивает верхний слой, а добавление хлорида заставляет компоненты с бромом и йодом кристаллизоваться одновременно. Такой комбинированный подход предотвращает преждевременное затвердевание поверхности и позволяет получить гладкую и структурно однородную пленку по всей толщине материала.

Монолитный трехпереходный солнечный элемент состоит из трех соединенных друг с другом светопоглощающих слоев. Каждый из них имеет свою ширину запрещенной зоны и предназначен для поглощения определенной части солнечного спектра.

Устранение поверхностных складок и структурных дефектов позволило оптимизировать все три слоя солнечного элемента для максимально эффективного преобразования энергии. Верхний субэлемент с запрещенной зоной 2,0 электронвольта. продемонстрировал высокое напряжение холостого хода — 1,46 вольта. Он работает в паре со средним слоем с запрещенной зоной 1,60 электронвольта, оптимизированным для согласования со спектром, и нижним слоем с запрещенной зоной 1,22 электронвольта, предназначенным для поглощения излучения в ближней инфракрасной области.

В совокупности такая монолитная трехпереходная конструкция обеспечила рекордную эффективность преобразования энергии 30,1%, причем независимая сертификация подтвердила показатель 29,3%. При этом технология продемонстрировала не только высокую эффективность, но и хорошую долговечность. По имеющимся данным, готовый солнечный элемент сохранил более 90% первоначальной эффективности после 569 часов непрерывной работы при максимальной мощности в условиях имитации солнечного излучения. После завершения первоначальных лабораторных испытаний команда планирует сократить потери напряжения и коэффициента заполнения, улучшить согласование токов между слоями и увеличить размеры устройств для их применения в более крупных энергетических системах.

В дальнейших исследованиях внимание будет перенесено с первоначальных измерений эффективности на оценку характеристик модулей в условиях, приближенных к реальной эксплуатации. Особое внимание предполагается уделить устойчивости к радиации, ультрафиолетовому излучению, вакууму и циклическим изменениям температуры — в том числе с перспективой использования таких элементов в космических миссиях. Кроме того, отказ от тяжелых кремниевых пластин открывает путь к созданию ультралегких и гибких солнечных модулей, которые потенциально можно использовать на крышах зданий, в носимой электронике и для энергоснабжения спутников.

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram