Рекорд для трёхслойных перовскитов: Китай создал элемент с эффективностью 30,1 %

Исследователи из Нанкинского университета в Китае и других учреждений разработали новую технологию производства, которая устраняет серьезную проблему эффективности монолитных трехслойных солнечных элементов, полностью изготовленных из перровскитов. В частности, ученые разработали стратегию реконструкции поверхности и гомогенизации галогенидов для устранения проблем, ограничивавших характеристики сверхширокозонных (UWBG) перовскитных пленок с шириной запрещенной зоны 2,0 эВ.

В результате был создан трёхслойный перовскитный солнечный элемент с эффективностью преобразования энергии 30,1 % (сертифицированная эффективность — 29,3 %). Согласно исследованию, интегрированная конструкция демонстрирует высокую стабильность при непрерывной работе и может способствовать повышению эффективности будущих многослойных солнечных элементов свыше 35 %.

Новая технология производства

Стандартные кремниевые панели в настоящее время занимают доминирующее положение в солнечной энергетике, но сталкиваются с физическими ограничениями, которые не позволяют им преобразовывать в электроэнергию большую часть солнечного излучения. Перовскиты являются перспективной альтернативой, поскольку эти синтетические материалы можно укладывать слоями, чтобы более эффективно поглощать более широкий диапазон длин волн солнечного спектра.

Такое несоответствие создает твердую внешнюю оболочку над жидким ядром, из-за чего пленка морщится, растрескивается, а ее химические компоненты разделяются. В результате теряется энергия, а потери напряжения становятся значительными. Исследователи решили эту проблему с помощью технологии двойной обработки, которая сглаживает поверхность материала и контролирует процесс формирования кристаллов. Неравномерное высыхание удалось устранить благодаря сочетанию специальной обработки растворителем с небольшим количеством добавки хлорида олеиламония.

Монолитный трёхслойный солнечный элемент состоит из трёх соединенных между собой светопоглощающих слоев, каждый из которых имеет свою ширину запрещенной зоны для поглощения определенной части солнечного спектра.

Многообещающие результаты испытаний

Устранение поверхностных морщин и структурных дефектов позволило оптимизировать все три слоя солнечного элемента для максимального поглощения энергии. Верхний поделемент с шириной запрещенной зоны 2,0 эВ достиг высокого напряжения холостого хода 1,46 В. Средний слой с показателем 1,60 эВ обеспечивал соответствие солнечному спектру, а нижний слой с энергией 1,22 эВ отвечал за поглощение ближнего инфракрасного излучения. В совокупности такая монолитная трёхслойная конструкция обеспечила рекордную эффективность преобразования энергии 30,1 %, которая была независимо сертифицирована на уровне 29,3 %.

Эта технология продемонстрировала не только высокую эффективность, но и долговечность. По имеющимся данным, готовый солнечный элемент сохранил более 90 % первоначальной эффективности после 569 часов непрерывной работы на максимальной мощности в условиях имитированного солнечного излучения. После завершения первоначальных лабораторных испытаний команда планирует снизить потери напряжения и коэффициента заполнения, усовершенствовать согласование токов и увеличить размеры устройства для более масштабных применений.

Дальнейшие исследования будут сосредоточены не только на начальных показателях эффективности, но и на характеристиках модулей в реальных условиях эксплуатации. Особое внимание будет уделяться устойчивости к радиации, ультрафиолетовому излучению, вакууму и температурным циклам — в частности, для потенциального использования в космических миссиях. Поскольку эта технология не требует использования тяжелых кремниевых пластин, она также открывает путь к созданию сверхлегких и гибких солнечных модулей для коммерческих крыш, носимых электронных устройств и спутников.

Источник: Interesting Engineering