КПД выше 30% и отработанная технология: найден путь к массовому производству тандемных солнечных панелей
Слой хлорида цезия толщиной в несколько нанометров решил проблему неравномерного роста перовскита
Исследователи из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Helmholtz-Zentrum Berlin, HZB) нашли способ улучшить перовскит-кремниевые тандемные солнечные элементы и одновременно упростить их производство. С помощью сверхтонкого слоя хлорида цезия ученым удалось получить экспериментальный элемент с эффективностью преобразования солнечной энергии 30,3%.
Изображение сгенерировано ChatGPT // Источник изображения: ChatGPT
Главное достижение заключается не только в высоком КПД. Перовскитовый слой исследователи наносили методом вакуумного совместного испарения, без использования жидких растворителей.
Тандемный элемент объединяет обычный кремниевый фотоэлемент и перовскитовый слой поверх него. Они поглощают разные участки солнечного спектра, благодаря чему такая конструкция способна превращать в электричество больше солнечного света, чем традиционные кремниевые элементы.
Однако перенести эту технологию из лаборатории в промышленное производство непросто. Проблема возникает уже на поверхности кремниевой пластины. Ее покрывают микроскопическими структурами, уменьшающими отражение света, но из-за этой текстуры последующие слои трудно наносить равномерно.
Исследователи обнаружили, что используемый для переноса положительных зарядов органический самособирающийся монослой распределяется по такой поверхности неравномерно. Молекулы концентрируются во впадинах, а вершины микроструктур практически не покрываются. При нанесении перовскита это приводило к появлению йодида свинца, увеличению количества дефектов и формированию мелкозернистого неоднородного слоя. В результате ухудшались электрические характеристики элемента.
Проблему удалось решить с помощью чрезвычайно тонкого промежуточного слоя хлорида цезия. Он компенсирует неоднородность покрытия и создает более подходящую поверхность для формирования кристаллов перовскита. Благодаря этому верхний фотоактивный слой получается более однородным и содержит меньше дефектов.
Еще одно преимущество технологии — отсутствие растворителей. Многие лабораторные элементы производятся с использованием растворителей, которые хорошо подходят для небольших образцов, но сложнее масштабируются на большие текстурированные кремниевые пластины.
Вакуумное испарение в этом отношении выглядит перспективнее. Такая технология уже используется в микроэлектронике и производстве OLED-дисплеев и позволяет наносить материалы на большие площади. Кроме того, отсутствие растворителей снижает риск повреждения нижележащих слоев.
КПД 30,3% означает, что с той же площади такой солнечный элемент потенциально сможет вырабатывать заметно больше энергии, чем обычные кремниевые модули. Это особенно важно для крыш и других объектов, где площадь под солнечные панели ограничена.
Впрочем, до появления таких элементов в продаже еще далеко. Пока 30,3% — результат лабораторной ячейки. Ученым предстоит доказать, что технология сохраняет эффективность и стабильность при увеличении размеров, выдерживает длительную эксплуатацию и остается экономически оправданной при массовом производстве.