Перовскит

May 20, 2023

Кремниевые солнечные элементы приближаются к своему теоретическому пределу эффективности в 29,4 процента. Но в прошлом году ученые сообщили, что создали тандемные солнечные элементы, эффективность которых впервые превысила 30-процентный порог. Теперь они не только рассказывают, как им это удалось, но и другая команда заявляет, что побила этот рекорд, используя другой подход.

Наиболее распространенные солнечные элементы используют кремний для поглощения света. Современные коммерческие кремниевые солнечные элементы теперь достигают эффективности более 24 процентов, а лучшая лабораторная ячейка имеет эффективность 26,8 процента.

Один из способов повысить эффективность солнечного элемента — объединить два разных светопоглощающих материала в одно устройство. Этот тандемный подход увеличивает спектр солнечного света, который может собрать солнечный элемент.

«Аспекты стабильности и масштабируемости теперь должны быть в центре внимания».

Ученые все чаще исследуют возможность использования перовскитов в тандемных солнечных элементах, поскольку эти кристаллы недороги и их легко производить в лабораториях. Распространенный подход заключается в использовании верхней ячейки из перовскитов для поглощения видимого света более высокой энергии и нижней ячейки из кремния для инфракрасных лучей с более низкой энергией.

В 2022 году группа немецких исследователей рассказала, как они разработали тандемный солнечный элемент из перовскита и кремния с эффективностью 29,8 процента, а отдельная группа из Швейцарского центра электроники и микротехнологий в Невшателе, Швейцария, и их сотрудники установили новый рекорд. 31,25 процента.

«Это первый случай, когда технология с архитектурой, совместимой с массовым производством, достигла эффективности выше 30 процентов», — говорит Квентин Жангрос, ученый-материаловед из Швейцарского центра электроники и микротехнологий.

Теперь исследователи из Невшателя и их коллеги рассказали, как они построили свое устройство, а берлинские ученые и их коллеги представили новый тандемный солнечный элемент с эффективностью до 32,5 процента.

Группа Невшателя сообщила, что их устройство состоит из верхней ячейки из перовскита и кремниевой нижней ячейки, состоящей из пирамидок высотой в несколько микрометров. Использование текстурированной поверхности вместо плоской улучшило способность поверхности улавливать свет.

На этом электронномикроскопическом изображении передней стороны высокоэффективных тандемных солнечных элементов из перовскита и кремния видны текстурированная поверхность и слой фуллерена углерода-60, которые помогли максимизировать захват света и предотвратить потерю заряда. Квентин Жангрос и Чин Ю Синь/CSEM

Эта группа использовала двухэтапный метод осаждения перовскита. Сначала они использовали термическое испарение, чтобы нанести неорганический шаблон на покрытую пирамидой кремниевую нижнюю ячейку. Затем они использовали раствор для кристаллизации этого каркаса в перовскит. Это помогло гарантировать, что перовскит также образует пирамиды, чтобы улавливать свет.

Ключевой проблемой, с которой столкнулись тандемные солнечные элементы из перовскита и кремния, является предотвращение потери заряда из-за отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок, рекомбинирующих в верхней части перовскитной ячейки после того, как свет помогает разделить эти заряды. Одна из стратегий, которую команды Невшателя и Берлина использовали для решения этой проблемы, заключалась в размещении слоя фуллерена углерода-60, который мог бы эффективно извлекать электроны из перовскита.

Однако при дефектах на поверхности перовскита электроны и дырки могут рекомбинировать. Группа Невшателя избежала этого, используя добавки фосфоновой кислоты во время кристаллизации ячеек перовскита, которые помогли предотвратить образование этих дефектов.

«Эти результаты показывают, что технология готова перейти к следующему этапу своего развития, а это означает, что аспекты стабильности и масштабируемости теперь должны быть в центре внимания», — говорит Синь Юй Чин, ученый-материаловед из Швейцарского федерального технологического института в Лозанне. фотоэлектрическая лаборатория в Невшателе.

Используя другой подход, берлинская команда использовала ионную жидкость, известную как йодид пиперазиния. Жидкость представляет собой соль, состоящую как из положительно заряженных катионов, так и из отрицательно заряженных анионов. Это позволило модифицировать положительные и отрицательные дефекты поверхности перовскита, чтобы уменьшить рекомбинацию.