Рекорд для тришарових перовскітів: Китай створив елемент з ефективністю 30,1%

Дослідники Нанкінського університету в Китаї та інших установ розробили нову технологію виробництва, яка усуває серйозну проблему ефективності монолітних тришарових сонячних елементів, повністю виготовлених із перовскітів. Зокрема, вчені розробили стратегію реконструкції поверхні та гомогенізації галогенідів для усунення проблем, що обмежували характеристики надширокозонних (UWBG) перовскітних плівок із шириною забороненої зони 2,0 еВ.

У результаті було створено тришаровий перовскітний сонячний елемент із ефективністю перетворення енергії 30,1% (сертифікована ефективність — 29,3%). Згідно з дослідженням, інтегрована конструкція демонструє високу стабільність під час безперервної роботи та може допомогти підвищити ефективність майбутніх багатошарових сонячних елементів понад 35%.

Нова технологія виробництва

Стандартні кремнієві панелі нині домінують у сонячній енергетиці, але стикаються з фізичними обмеженнями, які не дозволяють їм перетворювати на електроенергію більшу частину сонячного випромінювання. Перовскіти є перспективною альтернативою, оскільки ці синтетичні матеріали можна укладати шарами, щоб ефективніше поглинати ширший діапазон довжин хвиль сонячного спектра.

Така невідповідність створює тверду зовнішню оболонку над рідким ядром, через що плівка зморщується, тріскається, а її хімічні компоненти розділяються. У результаті енергія втрачається, а втрати напруги стають значними. Дослідники розв’язали цю проблему за допомогою подвійної технології обробки, яка згладжує поверхню матеріалу та контролює процес формування кристалів. Нерівномірне висихання вдалося усунути завдяки поєднанню спеціальної обробки розчинником із невеликою кількістю добавки хлориду олеїламонію.

Монолітний тришаровий сонячний елемент складається з трьох з’єднаних між собою світлопоглинальних шарів, кожен із яких має окрему ширину забороненої зони для поглинання певної частини сонячного спектра.

Перспективні результати випробувань

Усунення поверхневих зморшок і структурних дефектів дозволило оптимізувати всі три шари сонячного елемента для максимального поглинання енергії. Верхній піделемент із шириною забороненої зони 2,0 еВ досяг високої напруги холостого ходу 1,46 В. Середній шар із показником 1,60 еВ забезпечував відповідність сонячному спектру, а нижній шар із 1,22 еВ відповідав за поглинання ближнього інфрачервоного випромінювання. У сукупності така монолітна тришарова конструкція забезпечила рекордну ефективність перетворення енергії 30,1%, яка була незалежно сертифікована на рівні 29,3%.

Технологія продемонструвала не лише високу ефективність, а й довговічність. За повідомленнями, готовий сонячний елемент зберіг понад 90% початкової ефективності після 569 годин безперервної роботи на максимальній потужності в умовах імітованого сонячного випромінювання. Після завершення початкових лабораторних випробувань команда планує зменшити втрати напруги та коефіцієнта заповнення, вдосконалити узгодження струмів і збільшити розміри пристрою для масштабніших застосувань.

Подальші дослідження будуть зосереджені не лише на початкових показниках ефективності, а й на характеристиках модулів у реальних умовах експлуатації. Особливу увагу приділятимуть стійкості до радіації, ультрафіолетового випромінювання, вакууму та температурних циклів — зокрема для потенційного використання в космічних місіях. Оскільки технологія не потребує важких кремнієвих пластин, вона також відкриває шлях до створення надлегких і гнучких сонячних модулів для комерційних дахів, носимих електронних пристроїв і супутників.

Джерело: Interesting Engineering