Разработан перовскитовый солнечный элемент с тройным переходом

Ученые из Университета Торонто разработали перовскитовый солнечный элемент с тройным переходом с рекордной эффективностью в 24,3%. Об этом сообщается в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature. Новый прототип знаменует собой значительный шаг на пути к созданию недорогих альтернатив традиционным солнечным элементам на основе кремния.

Перовскитовые солнечные элементы изготавливаются путем нанесения поликристаллических пленок перовскита на поверхность с использованием недорогих технологий обработки растворами. Изменяя состав кристаллов перовскита в этих пленках, каждый слой можно “настроить” на поглощение света с различными длинами волн, что позволяет эффективно использовать весь солнечный спектр.

Предыдущая работа исследователей включала работу с двухслойными тандемными ячейками, но последнее исследование сосредоточено на трехслойной конструкции. Однако многослойные ячейки обычно сконструированы таким образом, что верхний слой с перовскитами с широкой запрещенной зоной поглощает наиболее энергичные фотоны в фиолетовой части спектра. Команда использовала тип перовскитового материала, известного как ABX3, который изготовлен из смеси различных веществ, включая цезий, свинец, олово, йод, бром и некоторые небольшие органические молекулы. Верхний слой, в частности, состоит из смешанных галогенидных перовскитов, которые содержат высокую долю брома и йода.

В этой многослойной парадигме команда столкнулась с критической проблемой разделения фаз, вызванного светом, в верхнем слое, где бомбардировка высокочастотными фотонами приводила к отделению фаз, более богатых бромом, от фаз, богатых йодом. Это приводит к увеличению количества дефектов и снижению общей производительности. Чтобы решить эту проблему, команда использовала подробные компьютерные модели для имитации эффекта изменения состава кристаллов и предложила два изменения: удаление органических молекул для получения полностью неорганической структуры перовскита и введение элемента рубидий.

Используя эти знания, команда затем спроектировала и построила ячейку с тройным переходом из этого состава, эффективность которой составила 24,3%. Они также отправили его на независимую сертификацию в Национальную лабораторию возобновляемых источников энергии, которая измерила квазистационарный КПД в 23,3%. Кроме того, элемент с тремя переходами сохранил 80% своей первоначальной эффективности даже после 420 часов работы, что является большим шагом вперед с точки зрения долговечности.

Команда заявляет, что, хотя потребуются дальнейшие улучшения производительности, прежде чем перовскитные солнечные элементы смогут конкурировать с кремнием в коммерческих применениях, последнее исследование демонстрирует путь вперед.

– Теория говорит нам, что перовскиты обладают способностью преодолевать многие ограничения, присущие кремнию как материалу, – отметил соавтор исследования Левэй Цзэн. – Но дело не просто в том, что одно вытесняет все другое. Возможно, какие—то области применения лучше подходят для перовскитов, а какие-то – для кремния, или мы могли бы объединить их оба. Впереди много захватывающих возможностей.