Китайські вчені допомогли перовскітним тандемним сонячним елементам подолати критичну позначку ефективності в 30 відсотків після розробки нового способу контролю кристалізації матеріалів під час виробництва.
Дослідницьку групу очолювали Ге Цзиї, доктор філософії, та Лю Чан, доктор філософії, з Нінбонського інституту технології та машинобудування матеріалів (NIMTE) Китайської академії наук (CAS). Команда досягла сертифікованого коефіцієнта ефективності перетворення енергії 30,3 відсотка в жорстких повністю перовскітних тандемних сонячних елементах та 28 відсотків у гнучких версіях.
Вони вважають, що це досягнення може пришвидшити розробку легких, високоефективних сонячних технологій, які набагато дешевші та простіші у виробництві, ніж традиційні кремнієві панелі.
«Ці результати відкривають шлях для одночасного підвищення ефективності та довговічності як жорстких, так і гнучких пристроїв, тим самим просуваючи розвиток легких, масштабованих фотоелектричних технологій», – зазначили вчені.
Кращі сонячні елементи
Повністю перовскітні тандемні сонячні елементи вважаються одними з найперспективніших фотоелектричних (PV) технологій, оскільки вони можуть збирати сонячне світло ефективніше, ніж звичайні одноперехідні сонячні елементи. Їх також можна виготовляти за допомогою низькотемпературної обробки розчином, що потенційно знижує виробничі витрати.
Однак, асинхронна кристалізація залишається однією з найбільших проблем у багатокомпонентних перовскітних плівках . Під час виробництва різні частини плівок часто кристалізуються з різною швидкістю, створюючи структурні дефекти та невідповідності складу, які знижують ефективність та довгострокову стабільність.
Синхронізована кристалізація призводить до утворення ефективних жорстких та гнучких перовскітних тандемів.
Зображення: NIMTE
Щоб вирішити цю проблему, команда розробила стратегію адитивного проектування, засновану на теорії твердо-м’яких кислотно-основних взаємодій (HSAB), яка передбачає взаємодію кислот та основ. Вони ввели ретельно підібрані добавки як у широкозонні, так і у вузькозонні перовскітні шари для синхронізації зародження та росту кристалів.
Це не лише придушило нерівномірний вертикальний розподіл фаз, але й покращило однорідність плівки на всіх пристроях. Команда використовувала добавки дифтор(оксалато)борату (DFOB⁻) для перовскітів із широкою забороненою зоною та тетрафторборату (BF4⁻) для шарів із вузькою забороненою зоною.
Структурний та оптичний аналізи показали, що метод сприяє однорідному росту кристалів та запобігає перерозподілу галогенідів. Це зазвичай призводить до дефектів та накопичення напруги всередині сонячних елементів.
Більш сильна продуктивність
Ці вдосконалення також підвищили загальну продуктивність тандемних пристроїв. Ефективність широкозонних перовскітних сонячних елементів збільшилася з 18,5 до 20,1 відсотка, тоді як вузькозонних пристроїв покращилася з 21,6 до 23,3 відсотка.
Більше того, при інтеграції в монолітні двополюсні тандемні архітектури, оптимізований жорсткий тандемний пристрій досяг пікової ефективності 30,3 відсотка, з напругою холостого ходу 2,16 вольта (В) та коефіцієнтом заповнення 85,2 відсотка. Крім того, гнучкі тандемні елементи також показали високі результати. Вони досягли ефективності 28,2 відсотка, із сертифікованим значенням 28,0 відсотка.
Пристрої також характеризувалися високою експлуатаційною стабільністю. Це найважливіше та найважче вузьке місце для комерційного впровадження перовскітних сонячних елементів (PSC).
Оптимізований жорсткий пристрій зберіг 92 відсотки своєї початкової ефективності після 1000 годин відстеження точки максимальної потужності. Водночас гнучкі тандеми зберегли 95,2 відсотка своєї початкової ефективності після 10 000 циклів згинання.
Результат підкреслив їхній потенціал для носимої електроніки, легких енергетичних систем та гнучких сонячних застосувань. «Це дослідження встановлює загальний хімічний принцип регулювання кристалізації в композиційно складних перовскітних системах», – підсумував дослідник у прес-релізі.
Дослідження було опубліковано в журналі Nature Nanotechnology.