Группа ученых разработала новые эффективные и долговечные гибкие тандемные солнечные элементы. Они нашли способ улучшить сцепление между верхним перовскитным слоем и нижним слоем из меди-индия-галлия-селенида (CIGS). Благодаря этому удалось создать гибкий солнечный элемент площадью 1,09 см2, эффективность которого достигла 24,6%. После 320 часов работы и 3 тысяч циклов сгибания устройство сохранило более 90% первоначальной эффективности. Результаты опубликованы в журнале Nature Energy.
Солнечные элементы — это устройства, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество за счет фотоэлектрического эффекта, при котором фотоны передают энергию электронам. Их используют в солнечных панелях на крышах домов, калькуляторах, спутниках и даже в портативных зарядках. Чаще всего солнечные элементы делают из кремния (как и компьютерные микросхемы), но есть и варианты из теллурида кадмия или перовскита. Перовские элементы теоретически более эффективные, но материал менее надежный при длительном использовании по сравнению с кремнием. Их основные характеристики: эффективность (сколько процентов света превращается в ток, обычно 15–24%), долговечность (25–30 лет для кремниевых) и гибкость (новые модели можно сворачивать в рулон).
Ученые нашли способ повысить эффективность и долговечность гибких тандемных солнечных элементов. Они работали с комбинацией двух материалов: верхний слой — перовскит, который хорошо преобразует солнечный свет в электричество, а нижний — медь-индий-галлий-селенид (CIGS), известный своей стабильностью и способностью поглощать свет даже при низких температурах.
Главная проблема заключалась в том, что поверхность CIGS довольно шероховатая, из-за чего сложно нанести качественный перовскитный слой сверху. Это ограничивало коммерческое применение таких тандемных ячеек.
Чтобы решить эту задачу, ученые предложили стратегию, которую назвали «антирастворительное засеивание». Они работали с самосборными монослоями (SAM) в два этапа: сначала их равномерно распределили на поверхности, а затем растворили, чтобы предотвратить слипание. Дополнительно ученые добавили крошечные «зародыши» перовскита — они помогли вырастить ровный слой материала.
Для этого исследователи использовали два типа растворителей: высокополярный растворитель предотвращал слипание молекул SAM во время растворения, а низкополярный антирастворитель способствовал плотному построению SAM при их адсорбции (прикреплении) на поверхности. Кроме того, слой «зародышей» улучшил взаимодействие с растворителями и кристалличность перовскита, обеспечив прочное сцепление с подложкой.
С помощью этой технологии исследователи изготовили гибкий монолитный тандемный солнечный элемент площадью 1,09 см2. Он показал эффективность 24,6% (сертифицировано 23,8%). Показатели сравнимы с лучшими жесткими солнечными элементами (эффективность до 24-26%) и являются одним из самых высоких значений для гибких тонкопленочных солнечных элементов на сегодняшний день (до этого максимум эффективности составлял 22,2%).
Для проверки долговечности ученые подвергли устройство 320 часам работы и 3 тысячам циклов изгиба с радиусом 1 см. После этого элемент сохранил более 90% своей исходной эффективности, что говорит о его высокой механической прочности и стабильности при долгом использовании.
Результаты исследования открывают путь к разработке экономически выгодных и эффективных гибких тандемных солнечных элементов.
Автор: Оксана Гриценко.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
