Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) сообщают в новом выпуске журнала Science , что новый подход к производству перовскитных солнечных элементов позволил решить предыдущие проблемы и создать устройства с высокой эффективностью и превосходной стабильностью.

Разработка высокостабильных и эффективных перовскитов на основе богатой смеси брома и йода считается критически важной для создания тандемных солнечных элементов . Однако эти два элемента имеют тенденцию разделяться под воздействием света и тепла и, таким образом, ограничивают напряжение и стабильность солнечного элемента.

«Этот новый подход к выращиванию может значительно подавить фазовую сегрегацию», — сказал Кай Чжу, старший научный сотрудник NREL, главный исследователь проекта и ведущий автор новой статьи «Инженерия композиционной текстуры для высокостабильных широкозонных перовскитных солнечных элементов». »

Новый подход решил эту проблему и позволил создать широкозонный солнечный элемент с эффективностью более 20% и фотонапряжением 1,33 В и небольшим изменением эффективности в течение 1100 часов непрерывной работы при высокой температуре. Благодаря этому новому подходу полностью перовскитная тандемная ячейка получила КПД 27,1% при высоком фотонапряжении 2,2 В и хорошей стабильности работы.

В тандемной ячейке узкозонный слой наносится поверх широкозонного слоя. Разница в запрещенной зоне позволяет улавливать и преобразовывать в электричество большую часть солнечного спектра.

Перовскит относится к кристаллической структуре , образованной осаждением химических веществ на подложку. Высокая концентрация брома вызывает более быструю кристаллизацию перовскитной пленки и часто приводит к дефектам, снижающим производительность солнечного элемента. Были опробованы различные стратегии для смягчения этих проблем, но стабильность широкозонных перовскитных солнечных элементов по-прежнему считается недостаточной.

Недавно разработанный подход основан на работе Чжу и его коллег , опубликованной ранее в этом году , в которой была изменена типичная перовскитовая ячейка. Использование этой перевернутой архитектурной структуры позволило исследователям повысить как эффективность, так и стабильность, а также легко интегрировать тандемные солнечные элементы.

Группа под руководством NREL использовала ту же архитектуру и отошла от традиционного метода изготовления перовскита. Традиционный метод использует антирастворитель, нанесенный на кристаллизующиеся химические вещества для создания однородной пленки перовскита. Новый подход основывался на так называемом гашении газом, при котором поток азота обдувался химическими веществами. В результате была решена проблема разделения брома и йода, в результате чего была получена перовскитная пленка с улучшенными структурными и оптоэлектронными свойствами.

Подход с использованием антирастворителя позволяет кристаллам быстро и равномерно расти внутри перовскитной пленки, тесня друг друга и приводя к дефектам в местах пересечения границ зерен. Процесс газовой закалки, применяемый к перовскитовым химикатам с высоким содержанием брома, заставляет кристаллы срастаться, плотно упакованные сверху вниз, поэтому они становятся похожими на единое зерно и значительно уменьшают количество дефектов. Метод роста сверху вниз формирует градиентную структуру с большим количеством брома вверху и меньшим количеством брома в основной части клетки. Метод газовой закалки был также статистически более воспроизводимым, чем метод антирастворителя.

Исследователи добились эффективности, превышающей 20% для широкозонного слоя, и стабильности работы с ухудшением менее чем на 5% в течение 1100 часов. В паре с нижней ячейкой устройство достигло отметки КПД 27,1%.

Исследователи также попробовали аргон и воздух в качестве сушильного газа с аналогичными результатами, что указывает на то, что метод газовой закалки является общим способом улучшения характеристик широкозонных перовскитных солнечных элементов.

Новый подход к росту продемонстрировал потенциал высокопроизводительных тандемных устройств, полностью состоящих из перовскитов, и продвинул вперед разработку других тандемных архитектур на основе перовскитов, таких как те, которые включают кремний.