Инвертированные перовскитные солнечные элементы с КПД преобразования энергии 22,3%

иверперов

 

Фотоэлементы на основе перовскита, элементы, изготовленные из металлогалогенных перовскитовых полупроводников, в последнее время оказались особенно многообещающими, поскольку исследователям удалось существенно повысить эффективность преобразования энергии – с 3,8% до 25,2%.

Их замечательная эффективность делает перовскиты ведущим претендентом на разработку фотоэлектрических технологий следующего поколения. Фотоэлементы из перовскита могут иметь два основных конструктивных архетипа: так называемая обычная (защелкивающаяся) структура и инвертированная (заостренная) структура. До сих пор, элементы с обычной структурой достигали наивысших мощностей и эффективности преобразования, в то время как элементы с перевернутой структурой достигали гораздо более длительного срока службы.

Исследователи из Университета науки и технологий им. Короля Абдаллы (KAUST) и Университета Торонто недавно смогли сократить наблюдаемый ранее разрыв в эффективности между фотоэлементами с разной структурой. Их статья, опубликованная в журнале Nature Energy, представляет новую стратегию проектирования, которая позволила им изготавливать инвертированные солнечные элементы с длительным сроком службы и эффективностью преобразования энергии 22,3%.

«Фотоэлектрические устройства на основе перовскита с наивысшей эффективностью, основанные на обычной структуре, должны включать в свои материалы для переноса дырок ионные присадки», – сказал Сяопен Чжэн, один из исследователей, участвовавших в работе. «Избавившись от этих нестабильных присадок, инвертированные фотоэлектрические устройства внесли свой вклад в повышение стабильности работы технологии. К сожалению, эффективность преобразования мощности инвертированных перовскитовых фотоэлементов значительно отстает от эффективности обычных структурированных устройств (20,9% против 25,2%)».

По словам Чжэна, для того, чтобы фотоэлектрические технологии на основе перовскита имели реальное коммерческое и экологическое применение, исследователи должны в первую очередь убедиться, что они превосходны как по своей эксплуатационной стабильности, так и по эффективности преобразования энергии. Стратегия проектирования, которую он разработал в сотрудничестве со своими коллегами из KAUST и Университета Торонто, могла бы помочь достичь этого путем улучшения структурных и оптоэлектронных свойств перовскитных материалов, обычно использующихся для изготовления фотоэлектрических устройств.

Чжэн и его коллеги добавили следовое количество поверхностно-закрепляющих алкиламинов лигандов (AAL) с цепями различной длины к своему перовскитному материалу. Это позволило им изменить некоторые свойства материала, что привело к более высокой эффективности преобразования энергии, выше той, которая обычно наблюдается в солнечных элементах на основе перовскита с инвертированной структурой.

«Мы обнаружили, что только следового количества алкиламина во время обработки было достаточно, чтобы изменить свойства материала следующими преимущественными способами: (i) продвижение ориентации кристаллического зерна; (ii) подавление плотности состояния ловушки; (iii) уменьшение носителя заряда безызлучательная рекомбинация (то есть потеря), а также увеличение подвижности носителей и длины диффузии; (iv) ингибирование миграции ионов в перовските», – сказал другой исследователь, участвовавший в исследовании.

Поверхностно-модифицированные перовскитовые пленки AAL, используемые Чжэном, Хоу и их коллегами, имеют ориентацию (100) и существенно более низкую плотность ловушечных состояний по сравнению с немодифицированными пленками. Они также демонстрируют повышенную мобильность несущей и диффузионной  длинны, что приводит к устройствам с сертифицированной стабилизированной эффективностью преобразования 22,3%.

«Перовскитные фотогальванические технологии – это молодая технология, и у них все еще есть возможности улучшить свою стабильность, чтобы приблизиться к другим устоявшимся фотоэлектрическим технологиям, таким как c-Si и тонкие пленки на неорганической основе», – сказал Тед Сарджент, другой исследователь, участвующий в работе. «Мы существенно сократили разрыв в эффективности между инвертированными устройствами и обычными устройствами, используя только следовые количества алкиламина в качестве модификаторов зерна и поверхности».

Исследователи обнаружили, что солнечные элементы на основе перовскита, созданные с использованием их подхода, могут работать более 1000 часов в точке максимальной мощности при моделируемом освещении AM 1,5 без потери эффективности. В будущем разработанная ими стратегия проектирования может приблизить перовскитные материалы к работе в сложных условиях, необходимых для коммерциализации солнечных элементов.

«На следующем этапе нашего исследования мы рассмотрим способы производства перовскитных фотопреобразователей для создания устройств большой площади без ущерба для высокой производительности и надежности», – сказал Осман Бакр, один из исследователей, участвующих в этой работе.

 

https://econet.ru/articles/invertirovannye-perovskitnye-solnechnye-elementy-s-kpd-preobrazovaniya-energii-22-3


13.02.2020