Перовськит збільшить ефективність кремнієвих сонячних батарей без шкоди для виробництва
Поверхня кремнієвих пірамідок в сонячному елементі, покритих шаром перовскита
EPFL
Швейцарські вчені розробили технологію отримання сонячного елемента, який одночасно включає в себе і кремнієву, і перовскітним частини. Ефективність гібридної батареї склала 25,2 відсотка - це рекордний показник для батарей такого типу. При цьому вартість технології не сильно відрізняється від вартості виробництва стандартних кремнієвих елементів, пишуть вчені в Nature Materials.
Найбільш поширеним напівпровідникових матеріалом, який може поглинати сонячне світло і перетворювати його в електричну енергію, залишається кремній - саме з нього зроблено більшість сучасних сонячних батарей. Один з основних недоліків цього матеріалу - фундаментальні обмеження в ефективності перетворення енергії: для одношарової сонячної батареї з кремнію її максимум не перевищує 30 відсотків. Значно більших ККД вдається домогтися при використанні багатошарових осередків з інших напівпровідникових матеріалів. Наприклад, ефективність сонячних батарей з арсенидів галію і індію наближається до 50 відсотків, однак їх виробництво дуже дорого і в промислових масштабах поки що не може бути реалізовано.
В якості заміни кремнію саме для масового виробництва сонячних батарей частіше інших матеріалів пропонують використовувати соедіененія зі структурою перовскіту. Зазвичай перовскітним сонячні осередки включають в себе органо-неорганічні матеріали на основі трііодіда метіламмонія свинцю (CH3NH3PbI3), і вже зараз їх ефективність перевищує 20 відсотків. Додатково підвищити ККД батарей на основі перовскітним матеріалів теж можна за рахунок використання багатошарових напівпровідникових структур, однак, як і в випадку з арсеніднимі елементами, виробництво ефективних перовскітним осередків з великого числа шарів нанометровій товщини поки залишається занадто дорогим.
Для зменшення вартості виробництва багатошарових перовскітним сонячних елементів і одночасного збільшення їх ефективності швейцарські вчені під керівництвом Кентена Жангро (Quentin Jeangros) з Федеральної політехнічної школи Лозанни запропонували наносити тонкий шар перовскітним напівпровідника на поверхню більш ефективних кремнієвих осередків. Використання подібних гібридних елементів дозволяє збільшити ефективність поглинання сонячного світла: перовскит краще поглинає в синьої і зеленої частинах спектра, а кремній - в червоній та інфрачервоній.
Подібні гібридні осередки вже намагалися отримувати, проте всі вони використовували плоскі поліровані кремнієві поверхні, які недостатньо ефективно поглинають світло. Більш ефективні кристали кремнію, які використовуються зараз в сонячних елементах, мають на своїй поверхні текстуру, що складається з масиву пірамідок мікронного розміру, що сильно знижує частку відбитого світла. Однак така текстура ускладнює осадження на неї шарів інших складів за допомогою традиційних методів (таких як спін-коутінг ). Тому в даному випадку вчені запропонували використовувати для отримання перовскітним і проміжних шарів цілий комплекс методів осадження плівок з газової фази після спільного випаровування компонентів, в тому числі термічне напилення , атомно-шарове осадження і магнетронного розпилення .
Схема шаруватої структури гібридного сонячного елемента (зліва) і зображення його поверхні, отримані за допомогою атомно-силової мікроскопії - до (b) і після (c) нанесення на поверхню кремнію перовскітним шару
F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018
В результаті правильного підбору складів всіх верств, необхідних для створення pin-переходу, хімікам вдалося отримати сонячний елемент, в якому поверхня кремнію покривала багатошарова структура, що включає основний шар перовскита товщиною близько 400 нанометрів. Ефективність перетворення енергії сонячного елемента склала 25,2 відсотка - це рекордний показник для гібридних батарей такого типу. А за рахунок використання саме пірамідальної кремнієвої поверхні вдалося домогтися і високого значення щільності струму в комірці: вона досягала 19,5 міліампер на квадратний сантиметр.Мікрофотографії поверхні сонячного елементу після нанесення на поверхню кремнію перовскітним шару
F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018
За словами авторів роботи, основна перевага запропонованого методу - це його повна сумісність з сучасною технологією виробництва кремнієвих батарей. Тому додавання до процесу однієї додаткової стадії не сильно позначиться на вартості виробництва, зате значно збільшить ефективність одержуваних елементів. Вчені відзначають, що в подальшому за допомогою такого підходу ефективність гібридних сонячних осередків може бути збільшена і до 30 відсотків.Одна з головних недоліків сучасних перовскітним батарей - їх хімічна і фізична деградація, яка призводить до швидкого зниження ефективності. Щоб вирішити цю проблему, дослідники пропонують різні підходи. Наприклад, недавно для цього хіміки розробили перовскітним сонячну батарею з додатковим шаром фторованими графена, який не дав ККД елемента впасти за місяць більше, ніж на 18 відсотків. Інший спосіб уповільнення деградації - зняття внутрішніх напружень в кристалі, до якого може призвести опромінення батареї світлом енергією більше ширини забороненої зони.
Олександр Дубов
