Группа исследователей во главе с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) в сотрудничестве с Калифорнийским университетом в Беркли представила более простой подход к производству солнечных элементов: кристаллический солнечный материал со встроенным переключателем электрического поля (часто именуемый «сегнетоэлектриком»). Об этом сообщает Science Blog. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Для выработки электроэнергии солнечным панелям необходимо электрическое поле, чтобы отделить положительные заряды от отрицательных. Чтобы получить это поле, производители обычно послойно добавляют в солнечный элемент определенные химические вещества, что является ключевым фактором стабильности и производительности устройства. Но химическое легирование и послойный синтез вместе с этим добавляют дополнительные затраты на производство солнечных элементов.
Новый сегнетоэлектрический материал, выращенный в Berkeley Lab из трибромида цезия-германия (CsGeBr3, или CGB), открывает путь к более простому подходу к созданию устройств на солнечных элементах. В отличие от обычных солнечных материалов, кристаллы CGB по своей природе поляризованы: когда одна сторона кристалла накапливает положительные заряды, другая сторона накапливает отрицательные, поэтому легирование не требуется.
В дополнение к тому, что CGB является сегнетоэлектриком, он также представляет собой не содержащий свинца «галогенидный перовскит» – новый класс солнечных материалов, который сейчас особо привлекает исследователей своей доступностью и простотой синтеза по сравнению с кремнием. Но многие из наиболее эффективных галогенидных перовскитов естественным образом содержат свинец, остатки которого в результате производства и утилизации перовскитных солнечных материалов могут загрязнять окружающую среду и представлять опасность для здоровья населения.
«Не содержащий свинца солнечный материал, который не только собирает энергию солнца, но и имеет дополнительный бонус в виде естественного, спонтанно сформированного электрического поля, открывает захватывающие возможности в солнечной энергетике и электронной промышленности», – подчеркнул старший соавтор исследования Ян Пэйдун, член Национальной академии наук США. Он является старшим научным сотрудником отдела материаловедения лаборатории Беркли и профессором химии, материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете.
Другой соавтор исследования Йе Чжан, работая в лаборатории Яна, еще несколько лет назад задалась вопросом, как она может получить бессвинцовый ферроэлектрический перовскит. Она предположила, что размещение атома германия в центре перовскита искажает его кристалличность ровно настолько, чтобы возникло сегнетоэлектричество. Кроме того, перовскит на основе германия освобождал материал от необхлдимости применения свинца.
Между тем, эксперименты по электрическим измерениям, проведенные в лабораториях Беркли, выявили переключаемую полярность в CGB, удовлетворяющую еще одному требованию для сегнетоэлектричества. Наконец, последний эксперимент – измерение фотопроводимости в лаборатории Яна – принес неожиданно успешный результат.
Исследователи обнаружили, что поглощение света CGB настраивается и охватывает спектр от видимого до ультрафиолетового света (от 1,6 до 3 электрон-вольт), что является идеальным диапазоном для достижения высокой эффективности преобразования энергии в солнечном элементе. Ян Пэйдун отметил, что такая возможность настройки редко встречается в традиционных сегнетоэлектриках.
CGB также может продвинуть новое поколение переключающих устройств, датчиков и сверхстабильных запоминающих устройств, которые реагируют на свет, отметил еще один соавтор исследования Рамамурти Рамеш, бывший специалист Berkeley Lab, недавно ставший вице-президентом по исследованиям в Университете Райса.
Солнечные пленки из перовскита обычно изготавливаются с использованием недорогих методов покрытия раствором, таких как центрифугирование или струйная печать. И в отличие от кремния, который требует температуры обработки около 1500 °C для производства солнечного устройства, перовскиты легко перерабатываются из раствора при температуре от комнатной до около 150 °C, что для производителей значительно уменьшает затраты на энергию.
Но, несмотря на их потенциальный импульс для сектора солнечной энергетики, перовскитные солнечные материалы не будут готовы к широкому внедрению, пока исследователи не преодолеют давние проблемы в области синтеза и стабильности продуктов, а также устойчивости этих материалов.