Молодые ученые НИТУ МИСИС разработали прототип перовскитного солнечного элемента с продолжительностью работы 3500 часов, а также масштабировали его до фотомодуля. Добиться таких результатов позволило использование хлорных легирующих добавок в составе поглощающей перовскитной тонкой пленки.
Уже сейчас прототипы можно использовать в виде компактных источников питания для маломощной электроники. Как отмечают исследователи, прототип готов к полевым испытаниям и пилотной апробации. Результаты исследования опубликованы в журнале Solar RRL.
Перовскитные фотоэлементы — динамично развивающаяся технология солнечных батарей нового поколения. У тонкопленочных устройств данного типа есть ряд преимуществ в сравнении с традиционными кремниевыми: они дешевле в производстве, обладают высокой гибкостью, так как есть возможность изготавливать их на подложках из пластика. За счет этого такие фото-модули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол.
Однако в перовскитных солнечных элементах проходят стремительные процессы коррозии.
Ученые и инженеры научились делать эффективные фотоэлементы с высоким коэффициентом полезного действия (порядка 25%), что сопоставимо с кремниевыми аналогами, а иногда превосходит кремниевые образцы, они все еще недолговечны.
Основной проблемой является химическое взаимодействие поглощающего гибридного перовскитного слоя с зарядо-транспортными слоями. Они располагаются сверху и снизу от активного перовскитного слоя и обеспечивают разделение носителей заряда: энергетические электронные уровни подобраны так, что один слой пропускает только электроны, а другой – только дырки (квазичастицы носителей положительного заряда в полупроводниках).
Ученые Университета науки и технологий МИСИС выявили, что использование хлорных легирующих добавок в составе перовскитной тонкой пленки ведет не только к повышению приборных характеристик – достижению КПД в 20,1%, но и увеличивает долговечность работы в течение 3500 часов, что соответствует мировому уровню. Результат был подтвержден и при масштабировании образцов до промышленных прототипов размером 25 см2.
«Если рассматривать только фотоактивный перовскитный слой, то введение хлора не ведет к стабилизации структуры тонких пленок при воздействии факторов деградации. Однако использование легированных слоёв в архитектуре солнечного элемента существенно продлевает срок службы при свете высокой интенсивности и нагреве. Таким образом достигается метастабильное состояние прибора, в котором протекают электрохимические процессы коррозии, но их динамика существенно снижена», — рассказал соавтор работы, заместитель заведующего лабораторией Перспективной солнечной энергетики Университета МИСИС Данила Саранин.
Исследователи также представили прототипы фотомодулей (широкоформатных устройств) и наглядно показали, что использование предложенного подхода имеет эффективность и релевантность не только в виде лабораторных образцов, то есть маленьких устройств, имеющих исключительно научную ценность, но и в промышленных прототипах, которые уже сейчас могут приносить практическую пользу в виде компактных источников питания и маломощной электроники (экосистем устройств IoT – интернета вещей, сенсоров, мобильных гаджетов).
Как отмечают ученые, в ходе исследования была проведена междисциплинарная работа, в которой комплексное исследование режимов работы солнечной батареи совмещалось с анализом коррозии тонких пленок.
