Солнечные элементы на основе перовскитов, универсального класса материалов с многообещающими оптоэлектронными свойствами, постепенно продвигаются к коммерциализации. Хотя эти солнечные элементы могут иметь заметные преимущества по сравнению с существующими конструкциями солнечных элементов, включая более высокую эффективность преобразования энергии и более низкие затраты на изготовление, было обнаружено, что их производительность значительно ухудшается в условиях обратного смещения.

Обратное смещение происходит, когда один элемент в последовательно соединенной солнечной панели становится затененным и вырабатывает меньше энергии. Оставшиеся освещенные элементы создают обратное напряжение на затененном элементе, пытаясь протолкнуть через него ток в неправильном направлении. Это может привести к серьезной деградации затененного элемента.

Исследователи из Вашингтонского университета, Колорадского университета (UC) в Боулдере, Университета Райса и Оксфордского университета недавно разработали новую стратегию, которая может помочь улучшить стабильность солнечных элементов на основе перовскита при высоком обратном смещении. Их предложенный подход, опубликованный в Nature Energy , основан на уникальной архитектуре устройства, которая сочетает полимерный слой переноса дырок с электрохимически стабильным задним электродом.

«Мы видели, как Майк МакГихи выступил с вдохновляющей речью о важности стабильности обратного смещения и о работе его команды по ее пониманию», — рассказал Дэвид С. Джинджер, профессор химии в Вашингтонском университете и ведущий автор статьи, изданию Tech Xplore. «Мы были в той точке, когда Фанюань Цзян заканчивал один проект и искал новый, и мы согласились, что эта проблема может хорошо подойти для некоторых наших исследований, в частности, для пассивации поверхности для стабилизации интерфейсов перовскит/электрод и снижения ионной проводимости».

Первоначально исследователи пытались стабилизировать перовскитные солнечные элементы с помощью метода пассивации поверхности, но этот подход оказался неэффективным. Затем Цзян, ведущий автор статьи, предложил идею, лежащую в основе их новой предложенной стратегии, которую они сначала протестировали в UW, а затем проанализировали в сотрудничестве с Майклом Д. МакГихи и его командой в Калифорнийском университете в Боулдере, а также с командами профессоров Адитьи Мохита из Райса и Генри Снайта из Оксфорда.

«Мы проектировали наши солнечные элементы в два этапа: используя прочный полимерный материал для переноса дырок, чтобы блокировать инжекцию электронов; используя электрохимически стабильный электродный материал, чтобы предотвратить окисление металла», — объяснил Цзян. «Мы считаем, что ранняя стадия деградации элемента при обратном смещении — это электрохимический процесс , запускаемый инжектированными носителями заряда».

Новый инженерный подход, разработанный Цзяном, Джинджером и их коллегами, позволяет регулировать электрохимические реакции, приводящие к ранней деградации солнечных элементов при обратном смещении. Это, в свою очередь, стабилизирует элементы при наличии относительно высокого обратного смещения.

«Наш подход, вероятно, лучше всего подойдет для конструкции солнечного модуля, включающей обходные диоды, как это было в случае со многими кремниевыми солнечными модулями», — пояснил Джинджер. «Я думаю, это дает некоторую надежду на то, что можно будет спроектировать стеки из перовскита, которые также будут стабильны при прохождении обратного тока, хотя это может быть более сложной задачей».

Исследователи использовали свою инженерную стратегию для создания новых штыревых солнечных элементов и оценили их производительность. Они обнаружили, что эти элементы были стабильны при больших обратных напряжениях, сопоставимых с теми, которые могут выдерживать обычные элементы на основе кремния.

«Мы показали, что перовскитные солнечные элементы по своей природе не нестабильны к обратному напряжению», — сказал Джинджер. «Я думаю, что это действительно изменение мышления для многих. Кроме того, наше исследование показывает, что нам нужно мыслить целостно: ключом является не просто тот или иной интерфейс, а проектирование всего стека устройств».

Многообещающие результаты, достигнутые Джинджером, Цзяном и его коллегами, могут побудить другие команды экспериментировать с предложенной ими стратегией проектирования. Это может способствовать разработке более надежных перовскитных солнечных элементов, которые стабильны в условиях обратного смещения.

«Я думаю, что важность нашего исследования выходит за рамки солнечных элементов, поскольку наша инженерная стратегия может послужить источником вдохновения для других оптоэлектронных устройств, таких как фотодетекторы и светодиоды (LED)», — сказал Цзян. «Я также горжусь строгим представлением нашей работы, благодаря отличной команде. Я надеюсь, что фундаментальные электрохимические идеи также смогут вдохновить будущие исследования обратного смещения».

Недавняя работа этой группы исследователей может способствовать будущей коммерциализации фотоэлектрических (ФЭ) устройств на основе перовскитов, а также послужить основой для разработки других оптоэлектронных устройств. Тем временем Цзян, Джинджер и их коллеги планируют провести дальнейшие исследования механизмов, лежащих в основе деградации перовскитных ячеек при обратном смещении и/или пропускании высокого обратного тока.

«Теперь мы хотели бы понять оставшиеся механизмы выхода из строя при обратном токе и посмотреть, сможем ли мы найти способы, которые позволят им пропускать обратный ток, близкий к максимальному току, работающему при солнечном свете, но без необратимых повреждений», — добавил Джинджер.