Перовскитные полупроводники обещают высокоэффективные и недорогие солнечные элементы. Однако полуорганический материал очень чувствителен к перепадам температур, что может быстро привести к усталостным повреждениям при обычном использовании на открытом воздухе. Добавление диполярного полимерного соединения к исходному раствору перовскита помогает противодействовать этому.
Это было показано в исследовании, опубликованном в журнале Science международной группой под руководством Антонио Абате, HZB. Солнечные элементы, произведенные таким образом, достигают КПД значительно выше 24 %, который почти не падает при резких колебаниях температуры от -60 до +80 по Цельсию в течение ста циклов. Это соответствует примерно одному году использования на открытом воздухе.
Материал класса галогенидных перовскитов рассматривается как большая надежда на получение еще большего количества солнечной энергии при еще меньших затратах. Эти материалы очень дешевы, их можно перерабатывать в тонкие пленки с минимальными затратами энергии, а их эффективность значительно выше, чем у обычных кремниевых солнечных элементов.
Цель: 20 лет стабильности на открытом воздухе
Однако ожидается, что солнечные модули будут обеспечивать стабильную мощность в течение не менее 20 лет в уличных условиях при значительных колебаниях температуры. Кремний PV справляется с этим легко, в то время как полуорганические перовскиты довольно быстро теряют эффективность.
«Солнечный свет может нагреть внутреннюю часть фотоэлемента до 80 градусов по Цельсию; в темноте ячейка тут же остывает до наружной температуры. Это вызывает большие механические напряжения в тонком слое микрокристаллов перовскита, создавая дефекты и даже локальные фазовые переходы. , так что тонкая пленка теряет свое качество», — объясняет профессор Антонио Абате, возглавляющий большую группу в HZB.
Вместе со своей командой и рядом международных партнеров он исследовал химическую вариацию, которая значительно улучшает стабильность тонкой пленки перовскита в различных архитектурах солнечных элементов, в том числе в штыревой архитектуре, которая обычно немного менее эффективна, чем более часто встречающаяся. использовал архитектуру nip.
«Мягкая оболочка» против стресса
«Мы оптимизировали структуру устройства и параметры процесса, основываясь на предыдущих результатах, и, наконец, смогли добиться решительного улучшения с помощью b-поли(1,1-дифторэтилена) или, для краткости, b-pV2F», — говорит Гуйсян Ли, работающий над докторской диссертацией. .Д. под руководством проф. Абате. Молекулы b-pV2F напоминают зигзагообразную цепь, заполненную чередующимися диполями.
«Похоже, что этот полимер обволакивает отдельные микрокристаллы перовскита тонкой пленкой, словно мягкой оболочкой, создавая своего рода подушку против термомеханического стресса», — объясняет Абате.
Рекордная эффективность для штыревой архитектуры: 24,6%
На самом деле изображения с помощью сканирующего электронного микроскопа показывают, что в клетках с b-pV2F крошечные гранулы прижимаются немного ближе. «Кроме того, дипольная цепь b-pV2F улучшает транспорт носителей заряда и, таким образом, повышает эффективность клетки», — говорит Абате. Действительно, они производили ячейки в лабораторных масштабах с эффективностью до 24,6%, что является рекордом для штыревой архитектуры .
Недавно произведенные солнечные элементы были подвергнуты более чем сотне циклов от +80 до -60 по Цельсию и 1000 часов непрерывного освещения, эквивалентного 1 солнечному свету. Это соответствует примерно одному году использования на открытом воздухе.
«Даже при таких экстремальных нагрузках они в конце концов достигли эффективности 96 %», — подчеркивает Абате. Это уже в правильном порядке. Если сейчас возможно еще немного уменьшить потери, перовскитные солнечные модули все еще могли бы производить большую часть своей первоначальной мощности через 20 лет — эта цель теперь становится достижимой.
