Инженеры Университета Райса – частного исследовательского центра в Хьюстоне (штат Техас, США) смогли решить давнюю проблему в создании устойчивых и эффективных солнечных панелей из галоидных перовскитов. Об этом сообщает сайт Smartech.Energy. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Чтобы нанести верхний 2D-слой желаемого состава и толщины без разрушения нижнего 3D-слоя (или наоборот) на фотоэлектрические элементы, исследователям Университета Райса – химику и биомолекулярному инженеру Адитья Мохите и сотрудникам его лаборатории – потребовалось найти правильный растворитель.
Разработанная на основе этого подхода ячейка смогла преобразовывать в электричество больше солнечного света, чем любой другой слой, и работать с большей стабильностью. Успех в создании тонких 3D/2D солнечных элементов позволил обеспечить им эффективность преобразования энергии в 24,5%. Это столь же эффективно, как и большинство коммерчески доступных солнечных элементов, отметил Мохите.
По его словам, новое достижение в значительной степени устраняет последний крупный барьер на пути к коммерческому производству. Перовскиты – это кристаллы с кубическими решетками, которые очень эффективно собирают свет, но материалы на их основе имеют тенденцию неустойчивости к воздействию света, влажности и тепла. Мохите и многие другие годами работали над тем, чтобы сделать перовскитовые солнечные элементы практичными.
2D-перовскитные клетки стабильны, но менее эффективны при преобразовании солнечного света. Трехмерные перовскиты более эффективны, но менее стабильны. Их объединение включает в себя лучшие черты обоих, но реализовать это на практике до сих пор не удавалось.
«Когда вы кладете 2D-слой поверх 3D-слоя, растворитель разрушает нижний слой. Но наш новый метод решает эту проблему и приводит к очень высокой эффективности. Теперь, впервые в этой области, мы можем создавать слои с возможностями контролировать поток заряда и энергии на огромных поверхностях – то есть не только для солнечных элементов, но и для оптоэлектронных устройств и светодиодов», – отметил Мохите.
По его словам, эффективность тестовых ячеек, подвергнутых воздействию лабораторного эквивалента 100% солнечного света в течение более 2000 часов, «не снижается даже на 1%». Не считая стеклянной подложки, толщина ячеек составляла около 1 мкм.
Обработка растворителями широко используется в промышленности и включает в себя целый ряд методов покрытия – центрифугированием, погружением, лезвием, при помощи щелевой головки и другие – для нанесения материала на поверхность в жидкости. Когда затем жидкость испаряется, остается нужное покрытие.
Ключом в этих техпроцессах является баланс между двумя свойствами самого растворителя: его диэлектрической проницаемостью (соотношением электрической проницаемости материала к его свободному пространству) и донорным числом Гутмана (DN, величина калориметрически измеренного теплового эффекта реакции). Все это вместе определяет, насколько эффективно растворитель может растворять ионное соединение.
«Существует около четырех растворителей, которые позволяют растворять перовскиты и наносить на них центрифугирование без разрушения трехмерного слоя», – пояснил Мохите. Он также добавил, что их синтез и применение должны быть совместимы с серийным производством, которое обычно производит 30 метров солнечных элементов в минуту.
«Этот прорыв впервые привел к гетероструктурам из перовскита, содержащим более одного активного слоя. Мечта о разработке сложных полупроводниковых архитектур с использованием перовскитов вот-вот сбудется. Следующими шагами станут новые приложения и исследование новых физических явлений», – отметил еще один соавтор исследования Джеки Эвен, профессор физики в Национальном институте науки и технологий в Ренне (Франция).
Новая разработка имеет значение не только для солнечной энергетики, но и для экологичных водородных топливных элементов с ячейками, которые могут производить энергию и преобразовывать ее в водород. Это также способно обеспечить автономную солнечную энергию для автомобилей, дронов, фотоэлектрических систем, интегрированных в здания, или даже для сельского хозяйства.