Сонячні панелі швидко ламаються через звичайну тінь: експерти розкрили причину

Коли тільки частина сонячної панелі перебуває в тіні, елементи можуть вийти з ладу, що значно скорочує термін роботи і загрожує чималими збитками для власників. Група дослідників з Університету Колорадо в Боулдері та Національної лабораторії відновлюваної енергії (NREL) представила своє рішення проблеми в статті, опублікованій у журналі Joule.

Коли затінена тільки одна частина панелі, незатінені осередки продовжують генерувати електрику і передають струм через непрацюючий елемент, "пробиваючи" його, як перекриту греблю. Це називається зворотним зміщенням і може призвести до незворотного зносу обладнання.

Для звичайних кремнієвих сонячних елементів проблема зворотного зсуву відома, і інженери розробили рішення: шунтуючий діод, який створює обхідний шлях для електрики. Однак у перовскітних зворотна напруга "пробою" дуже низька — від -1 до -2 В, тому такий метод не підходить.

Як пояснили вчені, деградація осередків під час "пробою" відбувається через дефекти, які вже існують, — дуже маленькі отвори в шарах перовскіту. Одночасно з цим, більш товсті шари перенесення заряду запобігають раптовому пробою, усуваючи області, де електроди знаходяться на відстані декількох нанометрів один від одного. Це важливе спостереження, оскільки воно вказує на можливість поліпшення стабільності зворотного зсуву шляхом підвищення "чистоти" та однорідності виготовлення.

Перовскітний шар формується шляхом обробки матеріалу в спеціальному розчині. Як пише TechXplore, процес дуже нагадує приготування млинців. Коли тісто виливають на гарячу пательню, відбувається кілька процесів: вода випаровується, тверді частинки застигають. Густота визначається кількістю сировини, і якщо її недостатньо багато, у млинці часто утворюються дірки.

Так і при виготовленні перовскітних елементів інгредієнти поміщають у розчинник, після чого речовину наливають на попередні шари і нагрівають. Розчинник випаровується, і утворюється плівка, де часто виникають дефекти і мікроотвори.

Щоб краще зрозуміти поведінку "ідеального" пристрою та ефективно сканувати велику кількість зразків (близько 100), команда створила велику кількість дуже маленьких пристроїв, створивши тонкі плівки площею всього 0,032 мм. Для порівняння, кожен пристрій мав товщину приблизно у дві людські волосини. Невеликий розмір цих пристроїв дозволив створити пристрої без дефектів, оскільки у великих масштабах складно створювати бездефектні плівки. Завдяки поєднанню великого розміру зразка та передових технологій візуалізації команда змогла швидко дослідити безліч різних типів дефектів.

Науковці підтвердили, що саме в мікроотворах і тонких ділянках шарів перовскіту зароджуються пробої. У цих місцях матеріал швидко нагрівається і плавиться, фактично скорочуючи відстань між двома контактними шарами. Навпаки, пристрої без дефектів продемонстрували чудову стабільність, витримуючи години зворотного зсуву без істотної деградації.

Висновок простий: щоб перовскітні сонячні панелі працювали стабільно, потрібно насамперед навчитися створювати плівки без дефектів. Крім того, потрібно використовувати більш міцні контактні шари для запобігання подібних різких і незворотних термічних пошкоджень.

Раніше інша група вчених виявила, що перовскітні сонячні панелі псуються через світло і тепло. Якщо виправити цю вразливість, то в майбутньому елементи зможуть працювати набагато довше.