Солнечные панели быстро ломаются из-за обычной тени: эксперты раскрыли причину

Когда только часть солнечной панели находится в тени, элементы могут выйти из строя, что значительно сокращает срок работы и грозит немалыми убытками для владельцев. Группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) представила свое решение проблемы в статье, опубликованной в журнале Joule.

Когда затенена только одна часть панели, незатененные ячейки продолжают генерировать электричество и передают ток через неработающий элемент, "пробивая" его, как перекрытую плотину. Это называется обратным смещением и может привести к необратимому износу оборудования.

Для обычных кремниевых солнечных элементов проблема обратного смещения известна, и инженеры разработали решение: шунтирующий диод, который создает обходной путь для электричества. Однако у перовскитных обратное напряжение "пробоя" очень низкое — от -1 до -2 В, поэтому такой метод не подходит.

Как объяснили ученые, деградация ячеек во время "пробоя" происходит из-за уже существующих дефектов — очень маленьких отверстий в слоях перовскита. Одновременно с этим, более толстые слои переноса заряда предотвращают внезапный пробой, устраняя области, где электроды находятся на расстоянии нескольких нанометров друг от друга. Это важное наблюдение, поскольку оно указывает на возможность улучшения стабильности обратного смещения путем повышения "чистоты" и однородности изготовления.

Перовскитный слой формируется путем обработки материала в специальном растворе. Как пишет TechXplore, процесс очень напоминает приготовление блинов. Когда тесто выливают на горячую сковороду, происходит несколько процессов: вода испаряется, твердые частицы застывают. Густота определяется количеством сырья, и если его недостаточно много, в блине часто образуются дыры.

Так и при изготовлении перовскитных элементов ингредиенты помещаются в растворитель, после чего вещество наливают на предыдущие слои и нагревают. Растворитель испаряется, и образуется пленка, где часто возникают дефекты и микроотверстия.

Чтобы лучше понять поведение "идеального" устройства и эффективно сканировать большое количество образцов (около 100), команда создала большое количество очень маленьких устройств, создав тонкие пленки площадью всего 0,032 мм. Для сравнения, каждое устройство имело толщину примерно в два человеческих волоса. Небольшой размер этих устройств позволил создать устройства без дефектов, поскольку в больших масштабах сложно создавать бездефектные пленки. Благодаря сочетанию большого размера образца и передовых технологий визуализации команда смогла быстро исследовать множество различных типов дефектов.

Ученые подтвердили, что именно в микроотверстиях и тонких участках слоев перовскита зарождаются пробои. В этих местах материал быстро нагревается и плавится, фактически сокращая расстояние между двумя контактными слоями. Напротив, устройства без дефектов продемонстрировали замечательную стабильность, выдерживая часы обратного смещения без существенной деградации.

Вывод простой: чтобы перовскитные солнечные панели работали стабильно, нужно в первую очередь научиться создавать пленки без дефектов. Кроме того, нужно использовать более прочные контактные слои для предотвращения подобных резких и необратимых термических повреждений.