Исследовательская группа под руководством химиков из Городского университета Гонконга (CityU) и Имперского колледжа Лондона (Imperial College) разработала новые высокоэффективные и стабильные солнечные элементы на основе перовскита. Ожидается, что прорывное изобретение значительно ускорит коммерциализацию перовскитной фотоэлектрической технологии, предоставив многообещающую альтернативу кремниевым солнечным элементам.
Традиционные солнечные элементы сделаны из кремния, который имеет высокую эффективность преобразования энергии и хорошую стабильность. Но они относительно дороги и достигают своих практических и экономических пределов фотоэлектрической эффективности. Перовскиты считаются ведущим претендентом на замену кремния в качестве предпочтительного материала для солнечных панелей. Ожидается, что перовскитные солнечные элементы будут стоить дешевле, иметь низкую температуру изготовления, а также будут легкими и гибкими. Их можно печатать на пластиковых пленках в качестве гибких солнечных элементов или использовать в качестве покрытия оконных стекол для поглощения солнечного света, что обеспечивает широкие возможности использования.
Среди различных типов перовскитных солнечных элементов те, которые имеют перевернутую конфигурацию конструкции, продемонстрировали исключительную стабильность, что делает их хорошими кандидатами на достижение срока службы коммерческих кремниевых солнечных элементов. Однако перовскитные материалы содержат химически активные компоненты, которые легко улетучиваются и разлагаются при высокой температуре и влажности, сокращая срок службы солнечных элементов. И по-прежнему отсутствовала стратегия повышения эффективности инвертированных перовскитных солнечных элементов до 25%, чтобы конкурировать с кремниевыми солнечными элементами при сохранении их стабильности.
Вдохновленный уникальными свойствами металлсодержащего материала, называемого ферроценами, доктор Чжу Цзунлун, доцент кафедры химии Городского университета, преодолел эти препятствия с помощью нового подхода. В сотрудничестве с профессором Николасом Лонгом из Имперского колледжа команда доктора Чжу гениально добавила ферроцены к перовскитным солнечным элементам в качестве интерфейса между светопоглощающим слоем и слоем, транспортирующим электроны, совершив прорыв. «Мы - первая команда, которая успешно повысила эффективность инвертированных перовскитных солнечных элементов до рекордно высокого КПД 25% и прошла тест на стабильность, установленный Международной электротехнической комиссией (IEC)», - сказал д-р Чжу.
Выводы были опубликованы в научном журнале Science.
«Уникальные свойства ферроценов могут помочь решить проблемы с перовскитными солнечными элементами», - сказал профессор Лонг, эксперт в области металлоорганической химии. Ферроцен представляет собой соединение с атомом железа, «зажатым» между двумя плоскими углеродными кольцами. Команда доктора Чжу использовала ферроцен, в котором углеродные кольца присоединены к различным органическим группам, разработанный командой профессора Лонга. «Эти органические группы снижают реакционную способность поверхности перовскита, повышая как эффективность, так и стабильность», - объяснил д-р Чжу.
Перовскитовые солнечные элементы состоят из слоев материалов. Слой перовскита предназначен для легкой добычи. Молекулы ферроцена ускоряют перенос электронов от активного слоя перовскита к электроду в слое преобразования электричества, тем самым повышая эффективность.
Другое достоинство этих органических групп, объяснил д-р Чжу, заключается в том, что «металлоорганическое соединение на основе ферроцена, разработанное совместной группой, прочно закрепляет ион на поверхности перовскита посредством прочной химической связи, снижая чувствительность солнечных элементов к внешней среды и замедляя процесс деградации устройства."
В ходе эксперимента команда CityU обнаружила, что эти недавно изобретенные солнечные элементы могут работать при непрерывном освещении более 1500 часов и при этом сохранять более 98% своей первоначальной эффективности. Устройства также соответствуют международному стандарту для зрелых фотогальваники, демонстрируя превосходную стабильность в жаркой и влажной среде (85 градусов Цельсия и влажность 85%)..
«Самая важная часть этой работы заключается в том, что мы успешно изготовили высокоэффективные перовскитовые солнечные элементы, обеспечив при этом многообещающую стабильность. Надежные результаты означают, что коммерциализация перовскитов уже на подходе», - сказал д-р Чжу.
Коллеги запатентовали свой дизайн. «Мы стремимся увеличить производство перовскитных солнечных элементов, используя эту новую молекулу и простой метод, способствуя достижению глобальной цели «безуглеродной» устойчивости», - заключил д-р Чжу.
Д-р Чжу и профессор Лонг являются авторами статьи. Первыми авторами являются аспиранты Ли Чжэнь и У Синь, а также научный сотрудник с докторской степенью доктор Ли Бо с химического факультета CityU. Другими членами команды CityU являются д-р Чжан Шоуфэн и г-н Гао Данпэн из химического факультета.