Улучшенный галогенид перовскита вместо кремния может производить менее дорогостоящие устройства, которые лучше противостоят свету, теплу.

Несмотря на все усилия по преобразованию энергоснабжения страны в возобновляемые источники, солнечная энергия по-прежнему составляет немногим менее 3% электроэнергии, вырабатываемой в США. 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 тепла, что особенно проблематично для устройств, предназначенных для получения солнечной энергии.

Теперь международное исследовательское сотрудничество под руководством Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработало способ использования перовскита в солнечных элементах, защищая его от условий, вызывающих его разрушение. В исследовании, опубликованном 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.

«Возобновляемые источники энергии имеют решающее значение», — сказал автор-корреспондент Ян Ян, профессор Кэрол и Лоуренс Э. Таннас-младший в инженерной школе Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и член Калифорнийского института наносистем в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Перовскит изменит правила игры, потому что его можно производить массово, в отличие от кремния, и мы определили добавку, которая сделает этот материал лучше».

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 10 000 молекул перовскита, а затем проверили эффективность материала в солнечных элементах. 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.

Команда также непрерывно освещала солнечные элементы без использования какого-либо оборудования, что ускоряет деградацию перовскита. Устройство, использующее перовскит с неодимом, сохранило 84% своей эффективности преобразования энергии после более чем 2000 часов, в то время как устройство со стандартным перовскитом не сохранило своей эффективности после этого периода времени.

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.

Во многих предыдущих исследованиях, направленных на то, чтобы сделать перовскит более прочным, исследователи экспериментировали с добавлением защитных слоев к материалу, но это в значительной степени потерпело неудачу. Идея расширить сам материал исходила от ведущего автора Епина Чжао, исследователя с докторской степенью в лаборатории Янга. Чжао сказал, что его вдохновила технология, обычно используемая при производстве кремниевых полупроводников, — добавление небольших количеств других соединений для изменения свойств материала.

«Ионы имеют тенденцию двигаться через перовскит, как автомобили на шоссе, и это приводит к разрушению материала», — сказал Чжао. «С неодимом мы определили блокпост, чтобы замедлить движение и защитить материал».

Ян сказал, что это продвижение может помочь перовскитным солнечным элементам выйти на рынок в течение следующих двух-трех лет.