Ученые из Окинавского института науки и технологий Высшего университета (OIST) устранили фундаментальную слабость многообещающей солнечной технологии, известной как перовскитные солнечные элементы или PSC. Их инновации, по-видимому, одним махом улучшают как стабильность, так и масштабируемость устройств и могут сыграть ключевую роль в продвижении PSC на рынок.
Солнечные элементы третьего поколения эффективно преобразуют солнечный свет в полезную электроэнергию и требуют меньше энергии для производства, чем кремниевые элементы старой школы. В частности, PSC привлекли внимание науки и промышленности благодаря их низкой стоимости и высокой эффективности. Хотя их производительность в лабораторных тестах является многообещающей, устройства по-прежнему страдают от низкой стабильности и не могут производиться в коммерческих целях, пока они не будут созданы для долгой работы.
«Нам нужны солнечные модули, которые могут работать не менее 5-10 лет. На данный момент срок службы PSC намного короче», - сказал д-р Лунбин Цю, первый автор статьи и научный сотрудник с докторской степенью в OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit, под руководством профессора Ябин Ци.
Исследование, опубликованное в Интернете в Advanced Functional Materials 13 декабря 2018 г., подтверждает предыдущие доказательства того, что широко используемый в PSC материал, называемый диоксидом титана, ухудшает характеристики устройств и ограничивает их срок службы. Исследователи заменили этот материал диоксидом олова, более прочным проводником без этих ухудшающих свойств. Они оптимизировали свой метод применения диоксида олова для производства стабильных, эффективных и масштабируемых PSC.
В ходе экспериментов исследователи обнаружили, что срок службы устройств на основе диоксида олова более чем в три раза превышает срок службы устройств PSC, использующих диоксид титана. «Диоксид олова может дать пользователям необходимую производительность устройства», - сказал Цю.
Улучшенный дизайн
PSC состоят из слоистых материалов, каждый из которых выполняет определенную функцию. «Активный слой», сделанный из материалов перовскита, поглощает падающий солнечный свет в виде частиц, называемых фотонами. Когда фотон попадает в солнечный элемент, он генерирует отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные дырки в активном слое. Ученые контролируют поток этих электронов и дырок, помещая активный слой между двумя «транспортными материалами», создавая таким образом встроенное электрическое поле.
Чтобы помочь электронам двигаться в правильном направлении, многие PSC включают в себя «слой переноса электронов». В большинстве PSC в качестве слоя для переноса электронов используется диоксид титана, но под воздействием солнечного света материал вступает в реакцию с перовскитом и в конечном итоге разрушает устройство. Диоксид олова является жизнеспособной заменой диоксиду титана, но до этого исследования его не удалось успешно внедрить в крупномасштабное устройство.
Используя распространенную в отрасли технику, называемую напылением, исследователи научились создавать эффективный слой для переноса электронов из диоксида олова. Осаждение распылением работает путем бомбардировки материала мишени, в данном случае диоксида олова, заряженными частицами, заставляя его распыляться вверх на ожидающую поверхность. Точно контролируя мощность распыления и скорость осаждения, исследователи получили гладкие слои одинаковой толщины на большой площади.
Их новые солнечные элементы достигли эффективности более 20 процентов. Чтобы продемонстрировать масштабируемость этого нового метода, исследователи затем изготовили солнечные модули размером 5 на 5 сантиметров с заданной площадью 22,8 квадратных сантиметра, обнаружив, что полученные устройства показали эффективность более 12 процентов. Это исследование, которое было поддержано программой Proof-of-Concept Центра развития технологий и инноваций OIST, представляет собой важный шаг на пути к соответствию текущему отраслевому стандарту эффективности PSC.
Переход на рынок
Исследователи планируют продолжить оптимизацию конструкции PSC с целью производства крупномасштабных солнечных модулей с повышенной эффективностью. Исследовательское подразделение экспериментирует с гибкими прозрачными солнечными устройствами и стремится применить их оптимизированную конструкцию PSC в солнечных окнах, шторах, рюкзаках и переносных зарядных устройствах.
«Мы хотим масштабировать эти устройства до больших размеров, и хотя их эффективность уже разумна, мы хотим еще больше ее увеличить», - сказал профессор Ци. «Мы с оптимизмом смотрим на то, что в ближайшие несколько лет эта технология станет жизнеспособной для коммерциализации».