Инженеры демонстрируют солнечные элементы следующего поколения, принимающие тепло

Перовскиты с их кристаллической структурой и многообещающими электрооптическими свойствами могут быть активным компонентом, который делает следующее поколение недорогих, эффективных, легких и гибких солнечных элементов.

Проблема с нынешним поколением кремниевых солнечных элементов заключается в их относительно низкой эффективности при преобразовании солнечной энергии в электроэнергию, сказал Викрам Далал, профессор государственного университета штата Айова им. Ансона Марстона, профессор электротехники и вычислительной техники Томаса М. Уитни и директор Исследовательского центра микроэлектроники штата Айова.

Лучшие кремниевые солнечные элементы в лаборатории эффективны на 26%, а коммерческие – на 15%. Это означает, что для производства определенного количества электроэнергии необходимы более крупные системы, а более крупные системы означают более высокие затраты.

Это заставляет исследователей искать новые способы повышения эффективности и снижения затрат. Одной из идей, которая может повысить эффективность на 50%, является тандемная структура, в которой два типа ячеек располагаются друг над другом, каждый из которых использует различные взаимодополняющие части солнечного спектра для выработки энергии.

Исследователи недавно начали рассматривать гибридные органико-неорганические перовскитные материалы в качестве хорошего тандемного партнера для кремниевых элементов. Результаты по перовскиту имеют КПД, приближающийся к 25%, имеют дополнительную запрещенную зону, могут быть очень тонкими (всего одна миллионная часть метра) и могут легко наноситься на кремний.

Но Далал сказал, что исследователи узнали, что гибридные перовскитные солнечные элементы разрушаются при воздействии высоких температур.

Это проблема, когда вы пытаетесь разместить солнечные батареи там, где светит солнце – жаркие сухие пустыни в таких местах, как американский юго-запад, Австралия, Ближний Восток и Индия. Температура окружающей среды в таких местах может достигать 120-130 градусов по Фаренгейту, а температура солнечных элементов может достигать 200 градусов по Фаренгейту.

Инженеры Университета штата Айова в рамках проекта, частично поддерживаемого Национальным научным фондом, нашли способ использовать полезные свойства перовскита при стабилизации клеток при высоких температурах. Они описывают свое открытие в недавно опубликованной статье научного журнала American Chemical Society Applied Energy Materials.

“Это многообещающие результаты в стремлении коммерциализировать материалы для солнечных батарей на основе перовскита и более чистое, более зеленое будущее”, – сказал Харшавардхан Гаонкар, первый автор газеты, который недавно получил докторскую степень по электротехнике и вычислительной технике в штате Айова и в настоящее время работает в Бойсе, Айдахо, в качестве инженера для ON Semiconductor.

Тонкая настройка материала

Далал, соответствующий автор статьи, сказал, что есть две ключевые разработки в новой технологии солнечных батарей:

Во-первых, он сказал, что инженеры внесли некоторые изменения в состав материала перовскита.

Они покончили с органическими компонентами в материале – особенно катионами, материалами с дополнительными протонами и положительным зарядом – и замещенными неорганическими материалами, такими как цезий. Это сделало материал стабильным при более высоких температурах.

И, во-вторых, они разработали технологию изготовления материала из перовскита одним тонким слоем – всего несколько миллиардных долей метра – за один раз. Этот метод осаждения из паровой фазы является последовательным, не оставляет загрязнений и уже используется в других отраслях промышленности, поэтому его можно расширить для коммерческого производства.

Результат этих изменений

“Наши солнечные элементы на основе перовскита не проявляют термической деградации даже при температуре 200 градусов по Цельсию (390 градусов по Фаренгейту) в течение трех дней, причем температура намного больше, чем солнечная батарея должна была бы выдержать в реальных условиях”, – сказал Гаонкар.

А затем Далал немного сравнил и сопоставил: “Это намного лучше, чем органические неорганические клетки перовскита, которые полностью разложились бы при этой температуре. Так что это серьезный прогресс в этой области”.

Повышение производительности

В статье сообщается, что новые неорганические перовскитные солнечные элементы имеют эффективность фотопреобразования 11,8%. Это означает, что впереди у инженеров еще много работы.

“Сейчас мы пытаемся оптимизировать эту ячейку – мы хотим сделать ее более эффективной при преобразовании солнечной энергии в электроэнергию”, – сказал Далал. – “Нам еще предстоит много исследований, но мы думаем, что сможем добиться этого, используя новые комбинации материалов”.

Например, инженеры заменили йод, распространенный в перовскитовых материалах, на бром. Это делало клетки гораздо менее чувствительными к влаге, решая еще одну проблему со стандартными гибридными перовскитами. Но эта замена изменила свойства ячеек, снизив эффективность их работы в паре с кремниевыми ячейками.

И так настройки и испытания будут продолжены.

Двигаясь вперед, инженеры считают, что они находятся на проверенном пути: “Это исследование демонстрирует более надежную термостабильность неорганических перовскитных материалов и солнечных элементов при более высоких температурах и в течение длительных периодов времени, чем в других местах”, – написали они в своем докладе. – “Это многообещающие результаты в стремлении к коммерциализации перовскитных материалов солнечных элементов”.

По материалам Techxplore