Прорыв в солнечной энергетике? Создан полностью перовскитный тандемный элемент с рекордной эффективностью

Солнечная энергия — это один из самых перспективных источников энергии будущего, способный решить проблему климатических изменений и обеспечить устойчивое развитие. В то время как обычные кремниевые солнечные батареи достигли предела эффективности, ученые активно исследуют новые технологии, которые позволят перешагнуть этот барьер и повысить КПД преобразования солнечного света в электричество.

Одним из таких перспективных направлений являются тандемные солнечные элементы. Суть этой технологии заключается в объединении нескольких солнечных элементов с разными спектральными характеристиками в единую структуру. В результате, тандемный элемент способен поглощать больше света в более широком спектральном диапазоне, что увеличивает общую эффективность преобразования солнечной энергии.

Все более перспективным направлением в области тандемных солнечных элементов являются конструкции, полностью основанные на перовскитах. Перовскиты — это новый класс материалов, обладающих уникальными свойствами, которые делают их идеальными кандидатами для использования в солнечных элементах.

Однако, на пути к практическому применению тандемных элементов на основе перовскитов, ученым приходится преодолевать несколько серьезных препятствий. Одним из ключевых факторов, ограничивающих эффективность перовскитных солнечных элементов, является неизбежная рекомбинация носителей заряда, которая происходит на поверхности перовскитного слоя.

Рекомбинация — это процесс, в котором электроны и дырки, образующиеся под воздействием солнечного света, воссоединяются, не успев отдать свою энергию в электрическую цепь. Рекомбинация носит нерадиационный характер, то есть, она не сопровождается испусканием света, а ведет к потерям энергии.

Ключевая проблема заключается в том, что перовскиты, содержащие олово (Sn) и свинец (Pb) в своем составе, демонстрируют повышенный уровень нерадиационной рекомбинации на границах между перовскитным слоем и электронным транспортным слоем, что, в свою очередь, приводит к снижению КПД элементов.

Исследователи из Китая представили новое решение, которое позволяет существенно снизить рекомбинацию носителей заряда на поверхности перовскитного слоя. В своей работе они используют химическую полировку и пассивацию, чтобы улучшить поверхность перовскита и сделать ее более эффективной.

Полировка — это процесс удаления дефектов с поверхности материала, чтобы сделать ее более гладкой и однородной. Пассивация — это процесс создания защитного слоя на поверхности, который предотвращает образование новых дефектов и снижает скорость рекомбинации.

В качестве полирующего агента в своей работе исследователи выбрали 1,4-бутандиамин (BDA). BDA обладает уникальной способностью растворять перовскит, содержащий Sn и Pb, в присутствии изопропанола (IPA).

Пассивация осуществляется путем применения этилендиаммонийдийодида (EDAI2). EDAI2 эффективно пассивирует дефекты, связанные с вакансиями катионов (например, FA+ и MA+) и ионов йода (I).

Сочетание химической полировки с помощью BDA и пассивации с помощью EDAI2 позволило ученым добиться впечатляющих результатов — они получили перовскитные солнечные элементы с КПД 22,65% и 23,32% для элементов с шириной запрещенной зоны 1,32 и 1,25 эВ, соответственно. Более того, им удалось создать тандемные солнечные элементы, состоящие из двух соединенных перовскитных элементов, с КПД 28,49%!

Важно отметить, что применение новой технологии не только увеличило КПД элементов, но и существенно улучшило их стабильность. Солнечные элементы, полученные с использованием BDA и EDAI2, сохранили 79,7% от своей первоначальной эффективности после 550 часов работы под непрерывным воздействием солнечного света.

Это значительный шаг вперед в развитии тандемных солнечных элементов на основе перовскитов. Потенциал этой технологии огромный, и ее дальнейшее развитие может привести к появлению универсальных и недорогих солнечных батарей, способных решить проблему глобального энергетического дефицита.