Исследователи обнаружили, что могут остановить деградацию перспективных материалов для солнечных батарей

Перовскитные минералы довольно редкое ископаемое для нашей плнеты. Они обладают уникальной кристаллической структурой, названной в честь русского минералолога Перовского, и уже долгое время представляют особый интерес для энергетической отрасли. Их отдельная подгруппа — металл-галогенидные перовскиты особенно ценны благодаря перспективе применения в энергоэффективных, тонкопленочных солнечных элементах. Такие элементы гораздо дешевле в производстве, чем их аналоги на основе кремния, что повышает доступность технологий солнечной энергетики.


Однако, на данный момент существует проблема быстрого, по сравнению с кремниевыми аналогами, разрушения под воздействием влаги. Из-за этого, эффективность преобразования солнечного света в электричество со временем снижается. Научная группа из Швеции сообщила о возможном решении этой проблемы. По мнению ученых процесс деградации связан с экологической нестабильностью перовскитов.

Команда из Королевского технологического института в Стокгольме разработала новый синтетический сплав, который повышает стабильность перовскитных элементов, сохраняя при этом эффективность преобразования энергии. Исследователи опубликовали отчет о результатах исследования в журнале Communications Materials.


— соавтор исследования Джеймс Гарднер, исследователь из Королевского технологического института.

Исследователи заключили светопоглощающий слой в двумерный слой перовскита, который обеспечивает водоотталкивающее качество благодаря добавлению длинноцепочечных алкиламмониевых ионов. Исследователи сообщают, что эффективность преобразования энергии элементов снизилась на 20% после шести месяцев при относительной влажности от 25 до 80%; и элементы также могли быть полностью погружены в воду на несколько минут, прежде чем начиналась деградация.

Ученые также утверждают, что двумерное покрытие снижает потери энергии в светопоглощающем трехмерном перовските, что приводит к увеличению фотонапряжения. Результаты исследования указывают на то, что двумерные перовскиты на основе длинноцепочечных алкиламмониевых катионов могут повысить экологическую стабильность трехмерных перовскитов, при этом значительно не снижая их эффективности.

Другая научная группа, сформированная из сотрудников Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и пяти других университетов со всего мира обнаружила основную причину, по которой перовскитные солнечные элементы деградируют на солнечном свете. Команда успешно продемонстрировала простую корректировку в процессе изготовления, чтобы устранить причину деградации, устраняя самое большое препятствие для широкого распространения технологии тонкопленочных солнечных элементов.

Статья с подробным описанием результатов была опубликована в журнале Nature. Исследование возглавил Ян Ян, профессор материаловедения и инженерии Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и держатель почетного кресла Кэрол и Лоуренса Таннаса-младшего. Соавторами статьи стали Шон Тан и Тяньи Хуан, оба недавние докторанты Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, которых Ян консультировал.

Общепринятая на данный момент поверхностная обработка, используемая для устранения дефектов солнечных элементов, заключается в осаждении слоя органических ионов, делающих поверхность отрицательно заряженной. Команда из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе обнаружила, что, хотя обработка предназначена для повышения эффективности преобразования энергии во время процесса изготовления перовскитных солнечных элементов, она также непреднамеренно создает более электронно-богатую поверхность - потенциальную ловушку для энергетических электронов.

Исследователи показали, что простое изменение в процессе изготовления - добавление тонкого слоя оксида кремния между слоем органических ионов и электродом - может устранить эту проблему. Оксид кремния служит барьером, который предотвращает образование ловушек для электронов на поверхности перовскита.


— Ян Ян.

Исследователи сравнили эффективность преобразования энергии в элементах до и после воздействия солнечного света. Они обнаружили, что солнечные элементы с оксидом кремния сохраняли свою эффективность на протяжении 1000 часов, в то время как солнечные элементы без оксида кремния деградировали на 60% за то же время.


— Ян Ян.

Исследование обозначило важную веху в разработке стабильных перовскитных солнечных элементов, которые могут стать эффективной и дешевой альтернативой кремниевым солнечным панелям. Перовскиты предоставляют перспективные для солнечной энергетики материалы, которые могут способствовать созданию стабильного и экологически чистого источника энергии в будущем.