A U of T Инженерные инновации могут сделать печать солнечных элементов такой же простой и недорогой, как печать газеты. Доктор Хайрен Тан и его команда преодолели критическое производственное препятствие в разработке относительно нового класса солнечных устройств, называемых перовскитными солнечными элементами. Эта альтернативная солнечная технология может привести к недорогим печатным солнечным панелям, способным превратить почти любую поверхность в генератор энергии.
«Экономия за счет масштаба значительно снизила стоимость производства кремния», - сказал профессор Тед Сарджент, эксперт по новым солнечным технологиям и канадский исследовательский факультет нанотехнологий. «Солнечные элементы на основе перовскита могут позволить нам использовать методы, уже зарекомендовавшие себя в полиграфической промышленности, для производства солнечных элементов с очень низкой стоимостью. Потенциально перовскиты и кремниевые элементы могут быть объединены для дальнейшего повышения эффективности, но только с достижениями в низкотемпературных процессах».
Сегодня практически все коммерческие солнечные элементы изготавливаются из тонких пластин кристаллического кремния, который необходимо обрабатывать до очень высокой чистоты. Это энергоемкий процесс, требующий температуры выше 1000 градусов Цельсия и большого количества опасных растворителей.
Напротив, перовскитные солнечные элементы состоят из слоя крошечных кристаллов, каждый примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса, изготовленных из недорогих светочувствительных материалов. Поскольку исходные материалы перовскита можно смешать с жидкостью, чтобы сформировать своего рода «солнечные чернила», их можно печатать на стекле, пластике или других материалах с помощью простого процесса струйной печати.
Но до сих пор была одна загвоздка: чтобы генерировать электричество, электроны, возбужденные солнечной энергией, должны быть извлечены из кристаллов, чтобы они могли течь по цепи. Эта экстракция происходит в специальном слое, называемом электронно-селективным слоем, или ESL. Сложность производства хорошего ESL была одной из ключевых проблем, сдерживающих разработку перовскитных солнечных элементов.
«Наиболее эффективные материалы для изготовления ESL начинаются в виде порошка, и их нужно запекать при высоких температурах, выше 500 градусов по Цельсию», - сказал Тан. «Вы не можете положить его поверх листа гибкого пластика или на полностью изготовленный кремниевый элемент - он просто расплавится».
Тан и его коллеги разработали новую химическую реакцию, которая позволяет им выращивать ESL из наночастиц в растворе прямо на поверхности электрода. Хотя тепло по-прежнему требуется, процесс всегда остается ниже 150 градусов по Цельсию, что намного ниже температуры плавления многих пластиков.
Новые наночастицы покрыты слоем атомов хлора, который помогает им связываться со слоем перовскита сверху - такое сильное связывание позволяет эффективно извлекать электроны. В статье, недавно опубликованной в журнале Science, Тан и его коллеги сообщают, что эффективность солнечных элементов, изготовленных с использованием нового метода, составляет 20,1 процента.
«Это лучший из когда-либо опубликованных методов низкотемпературной обработки», - сказал Тан. Он добавляет, что солнечные элементы на основе перовскита, использующие более старый высокотемпературный метод, лишь незначительно лучше - 22,1%, а даже лучшие кремниевые солнечные элементы могут достигать только 26,3%.
Еще одним преимуществом является стабильность. Многие перовскитные солнечные элементы испытывают серьезное падение производительности уже через несколько часов, но элементы Тана сохранили более 90 процентов своей эффективности даже после 500 часов использования.«Я думаю, что наша новая техника прокладывает путь к решению этой проблемы», - сказал Тан, который взялся за эту работу в рамках стипендии Rubicon.
«Вычислительные исследования команды из Торонто прекрасно объясняют роль недавно разработанного электронно-селективного слоя. Работа иллюстрирует быстро развивающийся вклад вычислительного материаловедения в создание рациональных энергетических устройств следующего поколения», - сказал профессор. Алан Аспуру-Гузик, эксперт по вычислительному материаловедению кафедры химии и химической биологии Гарвардского университета, не участвовавший в работе.
«Чтобы улучшить лучшие кремниевые солнечные элементы, тонкопленочные технологии следующего поколения должны быть технологически совместимы с готовым элементом. сказал профессор Лупинг Ю с химического факультета Чикагского университета. Ю является экспертом по солнечным элементам, обработанным раствором, и не принимал участия в работе.
Охлаждение во время производственного процесса открывает мир возможностей для применения перовскитных солнечных элементов, от чехлов для смартфонов, обеспечивающих возможность зарядки, до солнцезащитных тонированных окон, которые компенсируют потребление энергии зданием. В ближайшем будущем технологию Тана можно будет использовать в сочетании с обычными солнечными батареями.
«Благодаря нашему низкотемпературному процессу мы могли покрывать наши перовскитовые элементы непосредственно поверх кремния, не повреждая основной материал», - сказал Тан. «Если гибридный перовскит-кремниевый элемент может повысить эффективность до 30 процентов или выше, это делает солнечную энергию гораздо более выгодным экономическим предложением».