Кремний является лидером в мире солнечной энергии. Даже самые новые конструкции солнечных элементов, тандемные устройства, сочетают кремниевый солнечный элемент с кристаллическими материалами, называемыми перовскитами.
Однако в новом исследовании ученые смогли полностью отказаться от кремния, создав тандемы из двух лучших перовскитов, каждый из которых предназначен для поглощения определенной части солнечного спектра. Поскольку перовскиты проще в изготовлении, чем кремниевые элементы, их изготовление будет дешевле и проще.
— Высокая эффективность перовскитовых тандемных солнечных элементов является важным достижением в фотоэлектрической промышленности и может привести к дальнейшим инновациям, — отметил химик из Университета Нотр-Дам в Саут-Бенд Прашант Камат.
Кремниевые солнечные элементы уже оказали значительное влияние на энергетические рынки. Усовершенствования в технологии и производстве упали в цене за 10 лет примерно на 88%, говорится в аналитике международной компании Lazard.
Это привело к тому, что за тот же период объем использования солнечной энергии в мире увеличился более чем в 30 раз, а установленная мощность превысила 30 миллиардов ватт или 30 гигаватт, что достаточно для питания как минимум 3,7 миллионов домов.
Перовскитовые кристаллические материалы, обычно сделанные из свинца, йода, брома и других распространенных элементов, дешевы в изготовлении; в отличие от кремния, они легко перерабатываются и укладываются слоями, поглощающими солнечный свет. Их эффективность в преобразовании солнечного света в электричество также возросла до уровня лучших кремниевых солнечных элементов: с 3,8% до более чем 24% за последнее десятилетие.
Перовскиты также лучше, чем кремний, поглощают высокоэнергетические голубые фотоны солнечного света. Это побудило многочисленные исследовательские группы и компании создать солнечные элементы, которые поглощают низкоэнергетические желтые, красные и ближние инфракрасные фотоны. Один из таких тандемных фотоэлементов, созданный стартапом Oxford PV в Великобритании, может достигать 28% КПД.
Также в 2014 году исследователи из Японии и США добавили олово в стандартный перовскит на основе свинца. Это позволило начать создавать тандемные элементы с двумя перовскитами: обычным высокоэнергетическим поглощающим элементом на основе свинца и перовскитом из олова и свинца, который заменяет кремний. Полученные перовскитные тандемы имеют эффективность около 23%.
Но их проблема заключается в том, что олово легко реагирует с кислородом из воздуха, создавая дефекты в кристаллической решетке перовскита олово-свинец. Эти дефекты нарушают движение электрических зарядов через элемент, ограничивая эффективность элемента.
Однако недавно ученым во главе с Джозефом Берри, физиком из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Голден, Колодаро, удалось найти способ предотвратить реакцию олова в перовските с кислородом. Они добавили простое органическое соединение к своей смеси олово-свинцовый перовскит, называемое тиоцианатом гуанидиния, которое по существу покрывает кристаллиты перовскита, которые составляют поглощающую солнечную пленку, предотвращая проникновение кислорода внутрь. В результате эффективность перовскитового слоя олово-свинец выросла с 18 до 20%.
А когда Берри и его команда объединили этот материал с традиционным верхним перовскитовым слоем, поглощающим энергию, полученная в результате тандемная ячейка смогла преобразовать солнечный свет в электричество с 25% эффективностью.