25,1% достигла эффективность перовскитовых солнечных элементов

Ученые Северо-Западного университета (США) снова подняли стандарты для перовскитных солнечных элементов с помощью новой разработки, которая помогла новой технологии установить новые рекорды эффективности.

Результаты их работы, опубликованные сегодня в журнале Science, описывают двухмолекулярное решение, позволяющее преодолеть потери эффективности при преобразовании солнечного света в энергию. Включив первую молекулу для решения проблемы так называемой поверхностной рекомбинации, при которой электроны теряются, когда они захватываются дефектами (недостающими атомами на поверхности), и вторую молекулу для разрушения рекомбинации на границе раздела слоев, команда достигла национального показателя возобновляемых источников энергии. Energy Lab (NREL) подтвердила эффективность 25,1%, тогда как более ранние подходы достигали эффективности всего 24,09%.

— Солнечная технология на основе перовскита развивается быстро, и акцент исследований и разработок смещается от объемного поглотителя к границам раздела, — рассказал профессор Северо-Западного университета Тед Сарджент. — Это критический момент для дальнейшего повышения эффективности и стабильности и приближения нас к этому многообещающему пути к еще более эффективному сбору солнечной энергии.

Обычные солнечные элементы изготавливаются из кремниевых пластин высокой чистоты, производство которых энергозатратно, а сами пластины могут поглощать только фиксированный диапазон солнечного спектра. В отличие от них перовскитные материалы, размер и состав которых можно регулировать для «настройки» длин волн света, который они поглощают, делает их выгодной и потенциально более дешевой и высокоэффективной новой тандемной технологией.

Исторически солнечные элементы на основе перовскита сталкивались с проблемами повышения эффективности из-за их относительной нестабильности. За последние несколько лет достижения лаборатории Сарджента и других организаций привели эффективность перовскитных солнечных элементов к тому же диапазону, что и кремний.

В данном же случае вместо того, чтобы пытаться помочь клетке поглощать больше солнечного света, команда сосредоточилась на проблеме поддержания и удержания генерируемых электронов для повышения эффективности. Когда слой перовскита контактирует с электронтранспортным слоем клетки, электроны перемещаются от одного к другому. Но электрон может двигаться обратно наружу и заполнять («рекомбинировать») дырки, существующие в слое перовскита.

— Рекомбинация на границе раздела сложна, — отметил аспирант лаборатории Сарджента Ченг Лю. — Очень сложно использовать один тип молекул для решения сложной рекомбинации и удержания электронов, поэтому мы подумали, какую комбинацию молекул мы могли бы использовать для более комплексного решения проблемы.

Предыдущие исследования команды Сарджента обнаружили доказательства того, что одна молекула, PDAI₂ хорошо справляется с решением проблемы интерфейсной рекомбинации. Затем им нужно было найти молекулу, которая будет восстанавливать поверхностные дефекты и предотвращать рекомбинацию электронов с ними.

Найдя механизм, который позволил бы PDAI₂ работать со вторичной молекулой, команда сосредоточилась на сере, которая могла бы заменять углеродные группы (обычно плохо предотвращающие движение электронов) для покрытия недостающих атомов и подавления рекомбинации.

Отметим, что ранее этой же командой ученых было разработано покрытие подложки под слоем перовскита, которое помогает ячейке работать при более высокой температуре в течение более длительного периода.