Открытие ученых Калифорнийского университета может привести к более долговечным и недорогим солнечным батареям

Использование усиленного галогенида перовскита вместо кремния может привести к созданию недорогих устройств, которые лучше противостоят свету и теплу.


Несмотря на все усилия по преобразованию энергоснабжения в возобновляемые источники, солнечная энергия по-прежнему составляет немногим менее 3% электроэнергии. Отчасти это связано с относительно высокой стоимостью производства солнечных элементов.

Одним из способов снижения себестоимости производства может быть разработка солнечных элементов, в которых используются менее дорогие материалы, чем в современных моделях на основе кремния. Чтобы добиться этого, некоторые инженеры сосредоточились на галоидном перовските, типе искусственного материала с повторяющимися кристаллами в форме кубов.

Теоретически солнечные элементы на основе перовскита могут быть изготовлены из сырья, которое стоит дешевле и более доступно, чем кремний; они также могут быть произведены с использованием меньшего количества энергии и более простого производственного процесса.

Но до сих пор камнем преткновения было то, что перовскит разрушается под воздействием света и температуры, что особенно проблематично для устройств, предназначенных для получения солнечной энергии.

Международное исследовательское сотрудничество под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработало способ использования перовскита в солнечных элементах, защищая его от условий, вызывающих разрушение. В исследовании, опубликованном недавно в Nature Materials , ученые добавили небольшое количество ионов — электрически заряженных атомов — металла под названием неодим непосредственно в перовскит.

Они обнаружили не только то, что модифицированный перовскит был намного более стойким при воздействии света и тепла, но и более эффективно преобразовывал свет в электричество.

Способность галоидного перовскита преобразовывать свет в электричество обусловлена ​​тем, что его молекулы образуют повторяющуюся сетку из кубов. Эта структура удерживается вместе за счет связей между ионами с противоположными зарядами. Но свет и тепло заставляют отрицательно заряженные ионы выделяться из перовскита, что повреждает кристаллическую структуру и снижает способность материала к преобразованию энергии.

Неодим обычно используется в микрофонах, динамиках, лазерах и декоративном стекле. Его ионы как раз такого размера, чтобы уместиться внутри кубического кристалла перовскита, и они несут три положительных заряда, которые, как предположили ученые, помогут удерживать на месте отрицательно заряженные ионы.

Исследователи добавили около восьми ионов неодима на каждые 10000 молекул перовскита, а затем проверили эффективность материала в солнечных батареях. Работая на максимальной мощности и подвергаясь непрерывному воздействию света в течение более 1000 часов, солнечный элемент, использующий модифицированный перовскит, сохранил около 93% своей эффективности при преобразовании света в электричество. Напротив, солнечный элемент, использующий стандартный перовскит, потерял половину своей эффективности преобразования энергии через 300 часов в тех же условиях.

Чтобы проверить способность материала выдерживать высокие температуры, исследователи нагрели солнечные элементы из обоих материалов примерно до 180 градусов по Фаренгейту. Солнечная батарея с аугментированным перовскитом сохранила около 86% своей эффективности после более чем 2000 часов, в то время как стандартное перовскитовое устройство за это время полностью потеряло способность преобразовывать свет в электричество.