Перовскитовые солнечные батареи: Перовскитовый солнечный элемент | SolarSoul.net

Перовскитовый солнечный элемент | SolarSoul.net

Последние годы мы с восхищением наблюдали за достижениями различных групп учёных по увеличению эффективности перовскитовых фотоэлементов. В результате разброс рекордов колеблется от 23,9% до 26%. При этом теоретические исследования обнадёживают и позволяют рассчитывать на КПД более 30% уже в ближайшем будущем. Для сравнения, самый дорогой и сложный кремниевый фотоэлемент гарантирует КПД 31,3%.

На фоне этих успехов и заявления компании Saule Technologies которая совместно с Skanska Group объявили и запуске серийного производства перовскитовых солнечных батарей уже в 2018 году мы решили разобраться в технологии и залоге её успеха.

Перовскит наиболее динамично развивающаяся альтернатива кремнию

Перовскитовые солнечные элементы – относительно новая, но быстро развивающаяся область солнечных технологий. Первые разработки в сфере солнечной энергетики из этого материала появились в период с 2006 по 2008 год. Тогда сложно было говорить о прорыве, поскольку КПД таких элементов едва превышал значение 2-3 %. На то, чтобы поднять их КПД до 22%, ушло примерно 7 лет.

Так что же это за чудо-материал, который вот так неожиданно оказался в центре внимания ученых, исследователей во всем мире, работающих в области солнечной фотовольтаики?

Из чего состоит перовскит?

Технически перовскит – это вид минерала, найденный  в Уральских горах в 1839 году,  и назван в честь Льва Перовского, который был основателем Русского географического общества. Настоящий перовскит (минерал) состоит из кальция, титана и кислорода в форме CaTiO3.

Минерал перовскит

Структура этого минерала настолько уникальна, что на ее основе из других химических элементов были созданы высокотемпературные сверхпроводящие материалы, ионные проводники, а также некоторые материалы, обладающие свойствами полупроводников. Поэтому когда мы говорим о перовскитовых солнечных элемента, следует понимать, что мы имеем ввиду солнечные элементы на основе перовскитовой структуры. Поскольку обычно используются различные элементы, объединенные в соответствующую структуру, а не минерал в чистом виде. Общая кристаллическая структура перовскита имеет форму ABX3.

Пример структуры солнечного элемента на основе перовскита

На сегодняшний день наиболее эффективные перовскитовые фотоэлементы изготовлены со следующей комбинацией материалов в соответствии со структурой ABX3:

• A = органический катион – метиламмоний (Ch4Nh4) +
• B = Большой неорганический катион – обычно свинец (II) (Pb2 +)
• X3 = анион галогена – обычно хлорид (Cl-) или иодид (I-)

Ученые постоянно эксперементируют над комбинацией элементов в структуре. Так, в начале 2018 года были представлены бессвинцовые элементы на основе титана, что позволяет уменьшить токсичность производства.

Почему будущее за перовскитом

Основным и самым важным преимущество перовскитовых солнечных элементов является их дешевизна в сравнении с кремниевыми элементами. Солнечные батареи на базе кремния стоят сегодня в среднем 70 центов за 1 Вт, а солнечные батареи на основе перовскита могут снизить их стоимость до 10-15 центов за 1 Вт.

Кремниевые солнечные батареи при толщине в 180 микрон поглощают столько же света, сколько перовскит поглотит при толщине всего в 1 микрон. К тому же спектр преобразуемого в электричество света у перовскита шире, чем у кремния.

Еще одним преимуществом перовскитовых фотоэлементов является возможность применения их в качестве «чернил» для печати на различных поверхностях, в том числе на прозрачных покрытиях. Это дает большую гибкость и возможности для применения в солнечной энергетике.

К примеру, компания Oxford Photovoltaics ведет разработки «Спрея» который  превращает любую поверхность в фотоэлемент — это, наверное, самый завораживающий образ, связанный с применением перовскитов в фотоэлектрике.

Что мешает перовскитам уже сейчас доминировать на рынке?

Основным сдерживающем фактором, является низкая надежность солнечных батарей с перовскитовой структурой. Они не долговечны и подвержены разрушения при воздействии влаги и ультрафиолетового излучения. Именно увеличение надежности и срока службы стоит первоочередной задачей перед инженерами при дальнейших разработках.

По мнению многих видных ученых, которые работают в области солнечной фотоэлектрики, новые бескремниевые солнечные батареи имеют большое будущее. А прогнозируемое снижение более чем в 5 раз стоимости одного киловатта солнечного электричества по сравнению с нынешними ценами открывает самые широкие перспективы для развития перовскитовых фотоэлементов.

Перовскит увеличит эффективность кремниевых солнечных батарей без ущерба для производства

Поверхность кремниевых пирамидок в солнечном элементе, покрытых слоем перовскита

EPFL

Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых элементов, пишут ученые в Nature Materials.

Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который может поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию, остается кремний — именно из него сделано большинство современных солнечных батарей. Один из основных недостатков этого материала — фундаментальные ограничения в эффективности преобразования энергии: для однослойной солнечной батареи из кремния ее максимум не превышает 30 процентов. Значительно больших КПД удается добиться при использовании многослойных ячеек из других полупроводниковых материалов. Например, эффективность солнечных батарей из арсенидов галлия и индия приближается к 50 процентам, однако их производство очень дорого и в промышленных масштабах пока что не может быть реализовано.

В качестве замены кремнию именно для массового производства солнечных батарей чаще других материалов предлагают использовать соедиенения со структурой перовскита. Обычно перовскитные солнечные ячейки включают в себе органо-неорганические материалы на основе трииодида метиламмония свинца (CH₃NH₃PbI₃), и уже сейчас их эффективность превышает 20 процентов. Дополнительно повысить КПД батарей на основе перовскитных материалов тоже можно за счет использования многослойных полупроводниковых структур, однако, как и в случае с арсенидными элементами, производство эффективных перовскитных ячеек из большого числа слоев нанометровой толщины пока остается слишком дорогим.

Для уменьшения стоимости производства многослойных перовскитных солнечных элементов и одновременного увеличения их эффективности швейцарские ученые под руководством Кентена Жангро (Quentin Jeangros) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили наносить тонкий слой перовскитного полупроводника на поверхность более эффективных кремниевых ячеек. Использование подобных гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной.

Подобные гибридные ячейки уже пытались получать, однако все они использовали плоские полированные кремниевые поверхности, которые недостаточно эффективно поглощают свет. Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах, имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев других составов с помощью традиционных методов (таких как спин-коутинг). Поэтому в данном случае ученые предложили использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление.

Схема слоистой структуры гибридного солнечного элемента (слева) и изображения его поверхности, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии — до (b) и после (c) нанесения на поверхность кремния перовскитного слоя

F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018

В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, химикам удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нанометров. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента составила 25,2 процента — это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5 миллиампер на квадратный сантиметр.

Микрофотографии поверхности солнечного элемента после нанесения на поверхность кремния перовскитного слоя

F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018

По словам авторов работы, основное достоинство предложенного метода — это его полная совместимость с современной технологией производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на стоимости производства, зато значительно увеличит эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30 процентов.

Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 процентов. Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией больше ширины запрещенной зоны.

Александр Дубов

Гибкие солнечные элементы из перовскита послужат основой для «энергетического интернета»

Раньше прогресс в развитии солнечных технологий шел неспешными темпами. Первые кремниевые солнечные панели, ставшие основой фотоэлектрических технологий, были собраны еще в начале 1950-х годов, и тогда они могли конвертировать в электричество только 6% солнечного света. Спустя 30 лет производительность солнечных панелей увеличилась до 20%, в следующие три десятилетия – примерно еще на 5%.

Когда новый материал, появившийся в 2010 году, за восемь лет увеличил производительность с 3.8% до 22.7%, это вышло за рамки научных исследований и привлекло большой интерес рынка.

Речь идет о перовските – природном минерале, в обилии присутствующем в земной коре. Перовскитные фотоэлектрические ячейки можно создавать с включением разных материалов с подходящей кристаллической структурой, которая обеспечивает их полупроводниковые свойства. Иногда их называют гибридными перовскитовыми элементами, потому что они обладают лучшими характеристиками различных фотоэлектрических элементов.

В традиционной технологии кремний плавится в высокотемпературной печи, нарезается идеально ровными пластинами и спаивается в фотоэлектрические панели. Перовскит же можно наносить как чернила, то есть на его производство уходит намного меньше энергии. Перовскит мягче кремния и его можно наносить на гибкие пленки, которые, в свою очередь, можно крепить на поверхность электронных приборов, машин и даже на одежду. В теории максимальная производительность перовскита может достигать 33%, и с нынешними темпами развития технологии такого результата можно добиться в течение ближайших десяти лет.

Главной проблемой в использовании перовскита в солнечной энергетике является нестабильность – его кристаллическая структура легко разрушается, особенно под действием кислорода и влаги. В первых опытах жизненный цикл перовскита измерялся часами, но за прошедшие годы ее удалось увеличить до шести недель. Очевидным направлением улучшения технологии является защита материала от воздействия воздуха.

Читайте также: Блокчейн и WePower сделают торговлю «чистой» энергией доступной для всех

Дополнительный барьер на пути распространения перовскитов может носить экономический характер. Рынок солнечных батарей настраивался на использование кремниевых фотоэлектрическим систем, и отладка его механизмов работы и доходности длилась уже более 30 лет. Прямая конкуренция с традиционными солнечными панелями также может не принести ожидаемых результатов. В тоже время, многообещающим может стать применение перовскита в сочетании с другими солнечными элементами, путем создания многослойных ячеек. В таких устройствах каждый слой отвечает за преобразование в электричество света определенной волны. Так называемые «тандемные» солнечные элементы уже показали эффективность выше 40% – вдвое больше, чем у традиционных солнечных панелей, которые доступны сегодня на рынке.

Ученые полагают, что перовскит – одна из немногих технологий, способных перестроить нашу энергетическую систему с нуля. В настоящее время доля солнечной энергии составляет всего около 2 процентов в глобальной энергетической выработке. Чтобы значительно увеличить ее использование потребуется огромные количество дешевых солнечных батарей и множество новых, помимо традиционных СЭС, мест для их размещения. С технологией, такой как перовскит, наши здания, дороги и транспортные средства могут собирать значительную часть этой солнечной энергии.

По мнению исследователей, в будущем человечеству придется отказаться от привычной энергетической инфраструктуры с ее крупными производителями и централизованными сетями. На смену ей может прийти так называемый «энергетический интернет» – демократизированная, децентрализованная электрическая система, в которой каждый сможет независимо производить, использовать и торговать возобновляемой энергией. И такие примеры уже есть.

Читайте также: Новый способ инвестирования в солнечную энергетику предлагает стартап Sun Exchange

Источник: wired.com

А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в комментариях!

Понравилась статья? Поделитесь ею и будет вам счастье!

Перовскитные солнечные панели появятся на рынке

16 июля 2019 – Все больше набирают популярность безвредные источники энергии. Это связано с тем, что количество людей, задумывающихся о сохранении экологии все больше и больше. Множество людей уже перешло к использованию экологически чистых источников энергии. Удачным решением в данной ситуации будет приобрести перовскитные солнечные батареи. Компания ООО «НСиА» поможет приобрести перовскитные солнечные батареи на самых выгодных для вас условиях. Прямо сейчас вы можете заказать солнечный модуль, который соответствует всем требованиям которые вам нужны.  https://nsia-energy.ru/info/articles/96-perovskitnye-solnechnye-batarei.  Второй интернет-магазин предлагающий перовскитные солнечные батареи и готовые технические решения для дома.  http://solar220v.ru/priobresti-solnechnyie-batarei/

16 марта 2019 – Перовскитные солнечные элементы способны сохранять большую часть своей эффективности преобразования энергии в ближнем космосе. К такому выводу пришли китайские исследователи после проведения экспериментов. По мнению ученых из Пекинского университета, Академии наук Китая  и Северо-Западного политехнического университета, перовскитные солнечные элементы обладают большим потенциалом для разработки энергетических устройств нового поколения для исследования космоса. При этом вопрос их стабильности в экстремальной космической среде остался малоисследованным. С применением аэростата китайские исследователи в автономном районе Внутренняя Монголия отправили устройства с закрепленными солнечными элементами в ближний космос. Летательный аппарат поднялся на высоту 35 км. Согласно итогам экспериментов, один из типов перовскитовых солнечных элементов, используемых в исследовании, сохранил более 95 процентов своей первоначальной эффективности преобразования энергии. Перовскит — редкий минерал, титанат кальция, который был впервые найден в Уральских горах и назван в честь русского государственного деятеля Льва Перовского. За последние несколько лет ученые усовершенствовали «рецептуру» перовскита и технологии его изготовления, что привело к значительному повышению эффективности преобразования энергии, превысив максимальную эффективность некоторых видов кремниевых солнечных элементов.   https://news.rambler.ru/scitech/41881647-issledovanie-pokazalo-sposobnos…

23 января 2019 – Японские исследователи устранили фундаментальный недостаток перовскитных модулей для солнечных панелей. Новая технология напыления позволила создать не только стабильные, но и большие ячейки. Это как раз то, чего не хватало для начала массового производства. Для создания своего модуля исследователи использовали промышленную технологию осаждения распылением. Точный контроль за скоростью напыления и процессом осаждения позволил создать на подложке из диоксида олова идеально гладкую перовскитную поверхность. КПД такой панели — свыше 20%, сообщает Science Daily. Ученые продолжают исследования в двух направлениях. Во-первых, это масштабирование технологии. Во-вторых, создание перовскитных панелей с разными свойствами — например, гибких или прозрачных — и их интеграция. Если опыты увенчаются успехом, генерировать электричество будет множество привычных поверхностей — окна, занавески, рюкзаки или пауэрпаки, которые никогда не надо заряжать от розетки. На днях ученые из соседней Южной Кореи добились прорыва в производстве еще одного вида перспективных перовскитных панелей — без вредного свинца. По сравнению с обычным жидким электролитом показатель плотности фототока возрос почти на 80%. https://hightech.plus/2019/01/23/vpervie-sozdan-bolshoi-i-stabilnii-pero…

26 ноября 2018 – Ученые предложили уникальный метод получения перовскитных солнечных элементов неограниченной площади и создали солнечные элементы с КПД больше 17%. Результаты работы опубликованы в Nature Nanotechnology. В новой работе ученые изобрели новый способ, который позволяет создавать перовскитные солнечные элементы с использованием реакционных расплавов полииодидов. Реакционные расплавы полииодидов (РРП) – это новый класс веществ, открытый в 2016 году. Реагируя с металлическим свинцом, РРП напрямую образует гибридные перовскиты без побочных продуктов реакции и необходимости использования растворителей. На первый взгляд, высокая реакционная способность – несомненное достоинство реакционных расплавов полииодидов, однако слишком быстрое протекание реакции создавало определенные технологические сложности при их нанесении в виде равномерного тонкого слоя поверх напыленных пленок металлического свинца на большой площади. Согласно новому методу, расплав полииодидов образуется in-situ непосредственно на поверхности металлического свинца. Для этого методом термического вакуумного напыления формируется двухслойная структура, состоящая из тонких пленок металлического свинца и органической соли (например, иодида метиламмония). Затем сформированную двухслойную структуру обрабатывают парами йода. При их контакте с верхним слоем пленки – органической солью – быстро образуется реакционный расплав полииодида, который тут же реагирует с нижним слоем – металлическим свинцом. В результате образуется однородная пленка светопоглощающего слоя, толщина которой задается количеством нанесенного в начале процесса свинца. Благодаря тому, что площадь рабочей поверхности фотоэлектрических элементов станет больше, в дальнейшем можно будет масштабировать технологию и расширить перспективы коммерциализации перовскитных модулей.

26 ноября 2018 – Перовскит — это минерал титана, сравнительно редко встречающийся на поверхности Земли. Впервые его обнаружили в 1839 году, но широко известен он стал в последнее время — благодаря тому, что его все чаще используют для создания элементов солнечных батарей. КПД подобных устройств растет очень быстро и в настоящее время составляет более 23%. Одной из основных проблем, препятствующих внедрению перовскитных солнечных элементов, оставалось получение тонкого равномерного светопоглощающего слоя гибридного перовскита на большой площади.  https://indicator.ru/news/2018/11/23/kak-masshtabirovat-solnechnye-batarej/

02 октября 2018 – Команда ученых из Японии и Китая смогла создать перовскитные солнечные панели, которые по эффективности сравнимы с кремниевыми аналогами, но намного дешевле в производстве. Для этого исследователи нанесли тонкие пленки перовскита на прозрачную проводящую подложку, обработанную водородом. Одним из преимуществ новой методики стала долговечность полученных фотоэлементов. Через 800 часов работы они почти не демонстрировали признаков деградации. Эффект наблюдался, даже если толщина перовскитной пленки достигала 1 микрона. Площадь прототипа такой солнечной панели составила всего 0,1 кв. мм, однако благодаря полученному гранту исследователи смогли создать фотоэлемент с активной площадью 12 кв. см. Этого недостаточно для коммерциализации, к тому же при масштабировании КПД снизился с 20% до 15%. Тем не менее, ученые уверены, что им удастся доработать технологию и вывести ее на рынок.

02 октября 2018 – Перовскиты впервые использовали в фотоэлементах в 2009 году. Всего за 10 лет ученым удалось повысить эффективность перовкситных панелей с 3,8% до 23,3%.

02 октября 2018 – Хотя кремний, из которого сделано большинство современных солнечных батарей, очень доступен, его трудно обрабатывать. В результате конечный продукт получается дорогим. Чтобы технология стала по-настоящему эффективной, необходимо снизить стоимость солнечных панелей, увеличив их эффективность, за счет, например, применения новых материалов.

02 июля 2018 – Международная команда исследователей смогла поставить новый рекорд КПД для перовскитных солнечных элементов с обратным переходом. Над исследованием, о котором рассказывает Science Daily, совместно работали специалисты из Пекинского университета, Университета Суррея, Кембриджа и Оксфорда. Они разработали новый способ уменьшить потери энергии в перовскитных солнечных элементах из-за неизлучательной рекомбинации. Протестировав технологию, ученые зафиксировали рекордный для таких ячеек показатель КПД — 20,9%. Перовскитные элементы смогут захватить рынок, когда их КПД достигнет 30%, уверены исследователи из компании Oxforf PV. Недавно они представили новые фотоэлементы с производительностью в 26,7%.

7 сентября 2017 – Международная команда ученых из США, Великобритании и Нидерландов разработала метод исправления дефектов в молекулярной структуре перовскитов под воздействием света и правильно подобранного объема влаги. Несмотря на потенциал перовскитов, их эффективность сейчас ограничивается некоторыми факторами. Крошечные дефекты в кристаллической структуре перовскитов могут заставлять электроны «застревать», что препятствует конверсии энергии фотонов в электричество.

________________________________________________________________

Всемирный экономический форум признал солнечные элементы из перовскитов одной из 10 наиболее значимых технологий 2016 года. Ежегодно ученые со всего мира публикуют до 1500 научных работ по этой теме, хотя первая публикация появилась всего 8 лет назад. Перовскиты обладают кристаллической структурой, которая позволяет им эффективно впитывать свет. Кроме того, их можно смешивать с жидкостью и наносить на различные поверхности — от стекла до пластика — в виде спрея.

Аргументы в пользу прогноза.

Эффективность панелей на основе перовскита растет. В 2012 году КПД элементов на основе перовскитов составил 10% — на тот момент, это был рекордный показатель. На сегодняшний день перовскитные модули достигают КПД в 21,7% в лабораторных условиях. И такого результата удалось достичь менее чем за 5 лет. При этом по данным ВЭФ, эффективность традиционных солнечных панелей на основе кремния не меняется уже 15 лет, и, возможно, достигла предела. Тем не менее, она выше (по разным данным, до 30% – требует уточнения).

Перовскитовый фотоэлемент – Perovskite solar cell

Перовскита солнечных элементов ( ККП ) представляет собой тип солнечного элемента , который включает в себя перовскита структурированное соединение, чаще всего гибридного органического-неорганического свинца или олова на основе галогенида материала , в качестве активного слоя светособирающего. Перовскитные материалы, такие как галогениды свинца метиламмония и полностью неорганический галогенид свинца цезия, дешевы в производстве и просты в производстве.

Эффективность солнечных элементов в устройствах, в которых используются эти материалы, увеличилась с 3,8% в 2009 году до 25,5% в 2020 году в однопереходных архитектурах, а в тандемных элементах на основе кремния – до 29,15%, что превышает максимальную эффективность, достигнутую в кремниевых солнечных батареях с одним переходом. клетки. Таким образом, на 2016 год солнечные элементы из перовскита являются самой быстроразвивающейся солнечной технологией. Благодаря потенциалу достижения еще более высокой эффективности и очень низких производственных затрат, солнечные элементы из перовскита стали коммерчески привлекательными.

Преимущества

Металлогалогенные перовскиты обладают уникальными свойствами, которые делают их полезными для применения в солнечных элементах. Используемое сырье и возможные методы изготовления (например, различные методы печати) имеют низкую стоимость. Их высокий коэффициент поглощения позволяет ультратонким пленкам около 500 нм поглощать весь видимый солнечный спектр. Сочетание этих характеристик дает возможность создавать недорогие, высокоэффективные, тонкие, легкие и гибкие солнечные модули. Перовскитовые солнечные элементы нашли применение в энергосберегающей беспроводной электронике для приложений Интернета вещей с питанием от окружающей среды.

Материалы

Кристаллическая структура перовскитов CH ₃ NH ₃ PbX ₃ (X = I, Br и / или Cl). Катион метиламмония (CH ₃ NH ₃ ⁺ ) окружен октаэдрами PbX ₆ .

Название «перовскитный солнечный элемент» происходит от кристаллической структуры абсорбирующих материалов ABX ₃ , которая называется структурой перовскита, где A и B – катионы, а X – анион. А катионы с радиусами между 1,60 Å были найдены и 2,50 Å для формирования перовскита структур. Наиболее часто изучаемым перовскитным поглотителем является тригалогенид метиламмония свинца (CH ₃ NH ₃ PbX ₃ , где X – ион галогена, такой как йодид , бромид или хлорид ) с оптической шириной запрещенной зоны от ~ 1,55 до 2,3 эВ в зависимости от содержания галогенида. Тригалогенид свинца формамидиния (H ₂ NCHNH ₂ PbX ₃ ) также оказался многообещающим с шириной запрещенной зоны от 1,48 до 2,2 эВ. Минимальная ширина запрещенной зоны ближе к оптимальной для однопереходного элемента, чем для тригалогенида метиламмония и свинца, поэтому он должен обеспечивать более высокую эффективность. Первое использование перовскита в твердотельном солнечном элементе было в сенсибилизированном красителем элементе с использованием CsSnI ₃ в качестве слоя переноса дырок p-типа и поглотителя. Общую озабоченность вызывает включение свинца в состав перовскитных материалов; солнечные элементы на основе перовскитных поглотителей на основе олова, таких как CH ₃ NH ₃ SnI ₃ , также имеют более низкую эффективность преобразования энергии.

Предел Шокли-Кайссера

Эффективность солнечного элемента ограничена пределом Шокли-Кайссера . Этот расчетный предел устанавливает максимальную теоретическую эффективность солнечного элемента с использованием одного перехода без каких-либо других потерь, кроме излучательной рекомбинации в солнечном элементе. Основываясь на глобальных спектрах солнечного излучения AM1.5G, максимальная эффективность преобразования мощности коррелирует с соответствующей шириной запрещенной зоны, образуя параболическую зависимость.

Этот предел описывается уравнением

п знак равно т s × ты ( Икс c ) × v ( ж , Икс грамм , Икс c ) × м ( v Икс грамм / Икс c ) {\ displaystyle n = t_ {s} \ times u (x_ {c}) \ times v (f, x_ {g}, x_ {c}) \ times m (vx_ {g} / x_ {c})}

Где

Икс грамм знак равно v грамм / v s   ;   Икс c знак равно v c / v s {\ Displaystyle x_ {g} = v_ {g} / v_ {s} \; \ x_ {c} = v_ {c} / v_ {s}}

И u – предельный коэффициент полезного действия, v – отношение напряжения холостого хода к напряжению запрещенной зоны, а m – коэффициент согласования импеданса. А V _c – тепловое напряжение.

Наиболее эффективная ширина запрещенной зоны составляет 1,34 эВ с максимальной эффективностью преобразования мощности (PCE) 33,7%. Достижение этой идеальной ширины запрещенной зоны может быть трудным, но использование перестраиваемых перовскитных солнечных элементов позволяет гибко соответствовать этому значению. Дальнейшие эксперименты с многопереходными солнечными элементами позволили превзойти предел Шокли-Кайссера, расширив его, чтобы позволить фотонам более широкого диапазона длин волн поглощаться и преобразовываться.

Фактическая ширина запрещенной зоны для тригалогенида свинца формамидиния (FA) может быть настроена до 1,48 эВ, что ближе к идеальной ширине запрещенной зоны 1,34 эВ для однопереходных солнечных элементов с максимальной эффективностью преобразования энергии, предсказанной пределом Шокли-Кайссера. Совсем недавно ширина запрещенной зоны 1,3 эВ была успешно достигнута с помощью гибридной ячейки (FAPbI ₃ ) _{1− x} (CsSnI ₃ ) _x , которая имеет настраиваемую ширину запрещенной зоны (E _g ) от 1,24 до 1,41 эВ.

Многопереходные солнечные элементы

Многопереходные солнечные элементы обладают более высокой эффективностью преобразования энергии (PCE), повышая порог сверх термодинамического максимума, установленного пределом Шокли – Кессье для однопереходных элементов. Наличие нескольких запрещенных зон в одном элементе предотвращает потерю фотонов выше или ниже энергии запрещенной зоны солнечного элемента с одним переходом . В солнечных элементах с тандемным (двойным) переходом было зарегистрировано 31,1% PCE, увеличившееся до 37,9% для тройных солнечных элементов и впечатляющих 38,8% для солнечных элементов с четырехступенчатым переходом. Однако процесс химического осаждения из паровой фазы (MOCVD), необходимый для синтеза решетки и кристаллических солнечных элементов с более чем одним переходом, очень дорог, что делает его далеко не идеальным кандидатом для широкого использования.

Полупроводники из перовскита предлагают вариант, который потенциально может соперничать по эффективности с многопереходными солнечными элементами, но может быть синтезирован в более обычных условиях при значительно меньшей стоимости. С упомянутыми выше солнечными элементами с двойным, тройным и четверным переходом конкурируют полностью перовскитные тандемные элементы с максимальным PCE 31,9%, полностью перовскитовые ячейки с тройным переходом, достигающие 33,1%, и элементы с тройным переходом перовскита и кремния, достигающие КПД 35,3%. Эти многопереходные перовскитные солнечные элементы, помимо того, что они доступны для экономичного синтеза, также поддерживают высокий PCE при различных экстремальных погодных условиях, что делает их пригодными для использования во всем мире.

Хиральные лиганды

Использование органических хиральных лигандов открывает перспективы увеличения максимальной эффективности преобразования энергии для солнечных элементов из галогенидных перовскитов при правильном использовании. Хиральность может быть получена в неорганических полупроводниках за счет энантиомерных искажений вблизи поверхности решетки, электронного взаимодействия между подложкой и хиральным лигандом, сборки в хиральную вторичную структуру или хиральных поверхностных дефектов. Путем присоединения хирального фенилэтиламинового лиганда к нанопластинке ахирального перовскита бромида свинца образуется хиральный неорганико-органический перовскит. Исследование неорганико-органического перовскита с помощью спектроскопии кругового дихроизма (КД) выявляет две области. Один представляет перенос заряда между лигандом и нанопластинкой (300-350 нм), а другой представляет максимум экситонного поглощения перовскита. Свидетельство переноса заряда в этих системах дает надежду на повышение эффективности преобразования энергии в перовскитных солнечных элементах.

Прочие исследования и разработки

В другой недавней разработке изучаются солнечные элементы на основе перовскитов оксидов переходных металлов и их гетероструктур, таких как LaVO ₃ / SrTiO ₃ .

Ученые из Университета Райса открыли новое явление – расширение кристаллической решетки перовскита под действием света.

Чтобы преодолеть проблемы нестабильности органических перовскитных материалов на основе свинца в окружающем воздухе и сократить использование свинца, также были исследованы производные перовскита, такие как двойной перовскит Cs ₂ SnI ₆ .

Обработка

Солнечные элементы из перовскита имеют преимущество перед традиционными кремниевыми солнечными элементами в простоте обработки и устойчивости к внутренним дефектам. Традиционные кремниевые элементы требуют дорогостоящих многоступенчатых процессов, проводимых при высоких температурах (> 1000 ° C) под высоким вакуумом в специальных чистых помещениях. Между тем, гибридный органо-неорганический перовскитный материал можно производить с помощью более простых методов влажной химии в традиционных лабораторных условиях. В частности, тригалогениды свинца метиламмония и формамидиния, также известные как гибридные перовскиты, были созданы с использованием различных методов осаждения из растворов, таких как нанесение покрытия центрифугированием, нанесение покрытия с помощью щелевого штампа, покрытие лезвия, нанесение покрытия распылением, струйная печать, трафаретная печать, электроосаждение и т. Д. и методы осаждения из паровой фазы, все из которых потенциально могут быть относительно легко расширены, за исключением нанесения покрытия центрифугированием.

Методы осаждения

Метод обработки на основе раствора можно разделить на одноэтапное нанесение раствора и двухэтапное нанесение раствора. При одностадийном осаждении раствор предшественника перовскита, который получают путем смешивания галогенида свинца и органического галогенида вместе, наносят непосредственно с помощью различных методов нанесения покрытия, таких как нанесение покрытия центрифугированием, распыление, нанесение покрытия на лезвие и нанесение покрытия с помощью щелевого штампа, с образованием перовскитной пленки. . Одностадийное осаждение – это просто, быстро и недорого, но также сложнее контролировать однородность и качество перовскитной пленки. При двухстадийном осаждении сначала осаждается пленка галогенида свинца, а затем она вступает в реакцию с органическим галогенидом с образованием пленки перовскита. Для завершения реакции требуется время, но ее можно облегчить добавлением оснований Льюиса или частичного органического галогенида в предшественники галогенида свинца. В двухэтапном методе осаждения увеличение объема во время преобразования галогенида свинца в перовскит может заполнить любые поры для достижения лучшего качества пленки. Процессы осаждения из паровой фазы можно разделить на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). PVD относится к испарению перовскита или его предшественника с образованием тонкой пленки перовскита на подложке, не содержащей растворителя. В то время как CVD включает реакцию пара органического галогенида с тонкой пленкой галогенида свинца, чтобы преобразовать его в пленку перовскита. CVD на основе раствора, CVD с использованием аэрозоля (AACVD) также был введен для изготовления пленок галогенидов перовскита, таких как CH ₃ NH ₃ PbI ₃ , CH ₃ NH ₃ PbBr ₃ и Cs ₂ SnI ₆ .

Одноэтапное осаждение раствора против двухэтапного осаждения раствора

Одностадийное нанесение раствора

При одностадийной обработке раствора галогенид свинца и галогенид метиламмония можно растворить в растворителе и нанести центрифугированием на подложку. Последующее испарение и конвективная самосборка во время прядения приводит к образованию плотных слоев хорошо кристаллизованного перовскитного материала из-за сильных ионных взаимодействий внутри материала (органический компонент также способствует более низкой температуре кристаллизации). Однако простое центрифугирование не дает однородных слоев, вместо этого требуется добавление других химикатов, таких как ГБЛ , ДМСО и капель толуола . Простая обработка раствора приводит к наличию пустот, пластинок и других дефектов в слое, которые снижают эффективность солнечного элемента.

Другой метод, использующий экстракцию растворителем при комнатной температуре, позволяет получать высококачественные кристаллические пленки с точным контролем толщины до 20 нанометров на площадях в несколько квадратных сантиметров без образования точечных отверстий. В этом методе «предшественники перовскита растворяются в растворителе, называемом NMP, и наносятся на субстрат. Затем, вместо нагревания, субстрат омывается диэтиловым эфиром , вторым растворителем, который избирательно захватывает растворитель NMP и смахивает его. Остается только сверхгладкая пленка кристаллов перовскита ».

В другом способе обработки раствора смесь йодида свинца и галогенида метиламмония, растворенная в ДМФА, предварительно нагревается. Затем смесь наносят методом центрифугирования на подложку, поддерживаемую при более высокой температуре. Этот метод позволяет получать однородные пленки с размером зерна до 1 мм.

Перовскиты на основе галогенида свинца могут быть изготовлены из прекурсора PbI ₂ или прекурсоров, не являющихся PbI ₂ , таких как PbCl ₂ , Pb (Ac) ₂ и Pb (SCN) ₂ , что придает пленкам различные свойства.

Двухэтапное нанесение раствора

В 2015 году был принят новый подход к формированию наноструктуры PbI ₂ и использование высокой концентрации CH ₃ NH ₃ I для формирования высококачественной (большой размер кристаллов и гладкой) перовскитной пленки с лучшими фотоэлектрическими характеристиками. С одной стороны, самоорганизующийся пористый PbI ₂ образуется путем включения небольших количеств рационально выбранных добавок в растворы предшественников PbI ₂ , которые значительно облегчают преобразование перовскита без остатка PbI ₂ . С другой стороны, за счет использования относительно высокой концентрации CH ₃ NH ₃ I образуется прочно закристаллизованная и однородная пленка CH ₃ NH ₃ PbI ₃ . Кроме того, это недорогой подход.

Осаждение паров

В паровых технологиях галогенид свинца с центрифугированием или расслоенный отжигают в присутствии паров иодида метиламмония при температуре около 150 ° C. Этот метод имеет преимущество перед обработкой раствора, поскольку он открывает возможность для многослойных тонких пленок на больших площадях. Это может быть применимо для производства многопереходных ячеек . Кроме того, методы осаждения из паровой фазы приводят к меньшему изменению толщины, чем простые слои, обработанные на раствор. Однако оба метода могут привести к получению плоских тонкопленочных слоев или для использования в мезоскопических конструкциях, таких как покрытия на каркасе из оксида металла. Такая конструкция характерна для современных перовскитных или сенсибилизированных красителем солнечных элементов.

Масштабируемость

Масштабируемость включает в себя не только увеличение размера слоя поглотителя перовскита, но также увеличение размера слоев переноса заряда и электрода. Как растворение, так и паровые процессы перспективны с точки зрения масштабируемости. Стоимость и сложность процесса значительно ниже, чем у кремниевых солнечных элементов. Методы осаждения из паровой фазы или с использованием паров снижают потребность в использовании дополнительных растворителей, что снижает риск образования остатков растворителя. Обработка решения дешевле. Текущие проблемы с перовскитными солнечными элементами связаны со стабильностью, поскольку наблюдается ухудшение материала в стандартных условиях окружающей среды, что приводит к снижению эффективности ( см. Также « Стабильность» ).

В 2014 году Ольга Малинкевич представила свой процесс производства перовскитных листов для струйной печати в Бостоне (США) во время осенней встречи MRS, за которую она получила награду «Инноваторы до 35 лет» MIT Technology Review. Университет Торонто также утверждает, что разработала недорогой струйный солнечный элемент , в котором перовскита сырье смешивается в Nanosolar «чернил» , который может быть применен с помощью струйного принтера на стекло, пластик или другие подложки материалов.

Увеличение абсорбирующего слоя

Для увеличения размера слоя перовскита при сохранении высокой эффективности были разработаны различные методы более равномерного покрытия перовскитной пленки. Например, разработаны некоторые физические подходы для ускорения перенасыщения за счет быстрого удаления растворителя, что позволяет получить больше зародышей и сократить время роста зерен и миграцию растворенных веществ. Нагревание, поток газа, вакуум и антирастворитель могут способствовать удалению растворителя. И химические добавки, такие как добавки хлоридов, добавки на основе Льюиса, поверхностно-активные добавки и модификации поверхности, могут влиять на рост кристаллов, чтобы контролировать мофологию пленки. Например, недавний отчет о добавке поверхностно-активного вещества, такой как L-α-фосфатидилхолин (LP), продемонстрировал подавление потока раствора поверхностно-активными веществами для устранения зазоров между островками и одновременное улучшение смачивания поверхности перовскитными чернилами на гидрофобной подложке для обеспечения полное покрытие. Кроме того, LP может также пассивировать ловушки заряда для дальнейшего повышения производительности устройства, что может быть использовано при нанесении покрытия на лезвия, чтобы получить высокую пропускную способность PSC с минимальной потерей эффективности.

Увеличение уровня переноса заряда

Увеличение уровня переноса заряда также необходимо для масштабируемости PSC. Обычным электронно-транспортным слоем (ETL) в зажимных PSCs являются TiO ₂ , SnO ₂ и ZnO. В настоящее время, чтобы сделать TiO ₂ осаждения слоя быть несовместим с гибкой полимерной подложки, методами низкотемпературной, таких как осаждение атомных слоев , осаждение молекулярного слоя , гидротермальной реакции, и электроосаждения, разработаны для осаждения компактного TiO ₂ слоя в большой области. Те же методы применимы и к осаждению SnO ₂ . Что касается слоя переноса дырок (HTL), вместо обычно используемого PEDOT: PSS в качестве альтернативы используется NiO _x из-за водопоглощения PEDOT, который может быть нанесен путем обработки раствора при комнатной температуре. CuSCN и NiO являются альтернативными HTL-материалами, которые можно наносить путем нанесения покрытия распылением, покрытия лезвия и электроосаждения, которые потенциально масштабируемы. Исследователи также сообщают о методе молекулярного допирования для масштабируемых лезвий для изготовления PSC без HTL.

Увеличение заднего электрода

Осаждение путем испарения заднего электрода является зрелым и масштабируемым, но требует вакуума. Безвакуумное напыление заднего электрода важно для полного снижения технологичности PSC в растворе. На серебряные электроды можно наносить трафаретную печать, а сетку из серебряных нанопроволок можно наносить распылением в качестве заднего электрода. Углерод также является потенциальным кандидатом в качестве масштабируемого электрода PSC, такого как графит, углеродные нанотрубки и графен.

Токсичность

Проблемы токсичности, связанные с содержанием Pb в перовскитных солнечных элементах, искажают общественное восприятие и принятие технологии. Влияние токсичных тяжелых металлов на здоровье и окружающую среду было предметом многочисленных споров в случае солнечных элементов из CdTe, эффективность которых стала промышленно актуальной в 1990-х годах. Несмотря на то, что CdTe является термически и химически очень стабильным соединением с продуктом с низкой растворимостью , K _sp , равным 10 ^-34 и, соответственно, его токсичность оказалась чрезвычайно низкой, были реализованы строгие программы промышленной гигиены и программы обязательств по переработке. В отличие от CdTe, гибридные перовскиты очень нестабильны и легко разлагаются до довольно растворимых соединений Pb или Sn с K _SP = 4,4 × 10 ^-9, что значительно увеличивает их потенциальную биодоступность и опасность для здоровья человека, что подтверждается недавними токсикологическими исследованиями. Хотя 50% летальная доза свинца [LD ₅₀ (Pb)] составляет менее 5 мг на кг массы тела, проблемы со здоровьем возникают при гораздо более низких уровнях воздействия. Маленькие дети поглощают в 4–5 раз больше свинца, чем взрослые, и наиболее восприимчивы к побочным эффектам свинца. В 2003 году Всемирная организация здравоохранения установила максимальный уровень свинца в крови (BLL) 5 мкг / дл , что соответствует количеству свинца, содержащемуся всего в 5×5 мм ² перовскитового солнечного модуля. Кроме того, BLL 5 мкг / дл был отменен в 2010 году после обнаружения снижения интеллекта и поведенческих трудностей у детей, подвергшихся воздействию еще более низких значений.

Усилия по снижению токсичности свинца

Замена свинца в перовскитах

Были проведены различные исследования для анализа многообещающих альтернатив перовскиту свинца для использования в PSC. Хорошие кандидаты на замену, которые в идеале имеют низкую токсичность, узкую прямую запрещенную зону, высокие коэффициенты оптического поглощения, высокую подвижность носителей и хорошие свойства переноса заряда, включают перовскиты на основе галогенида олова / германия, двойные перовскиты и галогениды висмута / сурьмы с перовскитами. подобные конструкции.

Исследования, проведенные на основе PSC на основе галогенида олова, показывают, что они имеют более низкую эффективность преобразования энергии (PCE), при этом PCE, изготовленные экспериментально, достигает 9,6%. Этот относительно низкий PCE частично обусловлен окислением Sn ²⁺ до Sn ⁴⁺ , которое будет действовать как допант p-типа в структуре и приводить к более высокой концентрации темных носителей и увеличению скорости рекомбинации носителей. Перовскиты на основе галогенида германия оказались столь же неудачными из-за низкой эффективности и проблем с тенденцией к окислению: один экспериментальный солнечный элемент показал КПД всего 0,11%. Сообщалось о более высоких PCE для некоторых перовскитов на основе сплава германий и олова, однако с полностью неорганической пленкой CsSn _0,5 Ge _0,5 I _3, имеющей сообщенный PCE 7,11%. В дополнение к этой более высокой эффективности было обнаружено, что перовскиты из сплава германий и олова обладают высокой фотостабильностью.

Помимо перовскитов на основе олова и германия, также проводились исследования жизнеспособности двойных перовскитов с формулой A ₂ M ⁺ M ³⁺ X ₆ . Хотя эти двойные перовскиты имеют благоприятную ширину запрещенной зоны около 2 эВ и демонстрируют хорошую стабильность, некоторые проблемы, включая высокие эффективные массы электронов / дырок и наличие непрямых запрещенных зон, приводят к снижению подвижности носителей и транспорта заряда. Также были проведены исследования по изучению жизнеспособности галогенидов висмута / сурьмы в замене перовскитов свинца, особенно с Cs ₃ Sb ₂ I ₉ и Cs ₃ Bi ₂ I ₉ , которые также имеют ширину запрещенной зоны примерно 2 эВ. Экспериментальные результаты также показали, что, хотя PSC на основе галогенидов сурьмы и висмута обладают хорошей стабильностью, их низкая подвижность носителей и плохие свойства переноса заряда ограничивают их жизнеспособность при замене перовскитов на основе свинца.

Инкапсуляция для уменьшения утечки свинца

Недавние исследования использования инкапсуляции как метода уменьшения утечки свинца были проведены с особым упором на использование самовосстанавливающихся полимеров . Были проведены исследования двух многообещающих полимеров, Surlyn и термически сшиваемой эпоксидной смолы, диглицидилового эфира бисфенола A: н-октиламина: м-ксилилендиамина = 4: 2: 1. Эксперименты показали значительное снижение утечки свинца из PSC с использованием этих самовосстанавливающихся полимеров в смоделированных солнечных погодных условиях и после того, как смоделированные повреждения от града привели к растрескиванию внешней стеклянной оболочки. Примечательно, что оболочка из эпоксидной смолы смогла снизить утечку свинца в 375 раз при нагревании имитируемым солнечным светом.

Покрытия для поглощения утечки свинца

Покрытия, связывающие химический свинец, также использовались экспериментально для уменьшения утечки свинца из PSC. В частности, в этой работе экспериментально использовались катионообменные смолы (CER) и P, P’-ди (2-этилгексил) метандифосфоновая кислота (DMDP). Оба покрытия работают одинаково, химически изолируя свинец, который может вытечь из модуля PSC после того, как произойдет погодное повреждение. Исследования CER показали, что посредством контролируемых диффузией процессов свинец Pb ²⁺ эффективно адсорбируется и связывается на поверхности CER даже в присутствии конкурирующих двухвалентных ионов, таких как Mg ²⁺ и Ca ^2+, которые также могут занимать связывание участки на поверхности ССВ.

Чтобы проверить эффективность покрытий на основе CER в адсорбции свинца в практических условиях, исследователи капали слегка кислую воду, имитирующую дождевую воду, на модуль PSC, треснувший в результате моделирования повреждений от града. Исследователи обнаружили, что нанесение покрытия CER на медные электроды поврежденных модулей PSC позволило снизить утечку свинца на 84%. Когда CER был интегрирован в электродную пасту на основе углерода, нанесенную на PSC и на верхнюю часть герметизирующего стекла, утечка свинца уменьшилась на 98%. Аналогичный тест был также проведен на модуле PSC с покрытием DMDP как на верхней, так и на нижней части модуля для изучения эффективности DMDP в снижении утечки свинца. В этом испытании модуль был взломан путем моделирования повреждений града и помещен в раствор кислой воды, содержащий водные ионы Ca ²⁺ , предназначенный для имитации кислотного дождя с низким уровнем присутствия водного кальция. Концентрация свинца в кислой воде отслеживалась, и исследователи обнаружили, что эффективность связывания свинца покрытием DMDP при комнатной температуре составляет 96,1%.

Физика

Важной характеристикой наиболее часто используемой перовскитной системы, галогенидов свинца метиламмония, является ширина запрещенной зоны, контролируемая содержанием галогенидов. Материалы также имеют длину диффузии как для дырок, так и для электронов более одного микрона . Большая длина диффузии означает, что эти материалы могут эффективно функционировать в тонкопленочной архитектуре и что заряды могут переноситься в самом перовските на большие расстояния. Недавно сообщалось, что заряды в перовскитном материале преимущественно присутствуют в виде свободных электронов и дырок, а не в виде связанных экситонов , поскольку энергия связи экситонов достаточно мала, чтобы обеспечить разделение зарядов при комнатной температуре.

Пределы эффективности

Ширина запрещенной зоны перовскитных солнечных элементов настраивается и может быть оптимизирована для солнечного спектра путем изменения содержания галогенидов в пленке (т.е. путем смешивания I и Br). Предел Шок-Queisser предел эффективности излучения, также известный как детальный баланс предел, составляет около 31% под солнечным спектром AM1.5G при 1000 Вт / м ² , для перовскита запрещенной зоны 1,55 эВ. Это немного меньше, чем предел излучения арсенида галлия с шириной запрещенной зоны 1,42 эВ, который может достигать эффективности излучения 33%.

Значения детального лимита баланса доступны в табличной форме, и была написана программа MATLAB для реализации детальной модели баланса.

Между тем, модель дрейфовой диффузии показала, что успешно предсказывает предел эффективности перовскитных солнечных элементов, что позволяет нам глубоко понять физику устройства, особенно предел излучательной рекомбинации и селективный контакт с характеристиками устройства. Есть две предпосылки для прогнозирования и приближения к пределу эффективности перовскита. Во-первых, после принятия оптических конструкций необходимо скорректировать собственную излучательную рекомбинацию, которая существенно повлияет на напряжение холостого хода на пределе Шокли – Кайссера. Во-вторых, необходимо тщательно спроектировать контактные характеристики электродов, чтобы исключить накопление заряда и поверхностную рекомбинацию на электродах. С помощью этих двух процедур точное прогнозирование предела эффективности и точная оценка снижения эффективности перовскитных солнечных элементов достигаются с помощью модели дрейфа-диффузии.

Наряду с аналитическими расчетами было проведено множество первопринципных исследований для численного определения характеристик перовскитового материала. К ним относятся, помимо прочего, ширина запрещенной зоны, эффективная масса и уровни дефектов для различных перовскитных материалов. Также предпринимаются некоторые попытки пролить свет на механизм устройства на основе моделирования, в котором Agrawal et al. предлагает структуру моделирования, представляет анализ почти идеальной эффективности и говорит о важности границы раздела перовскитных и дырочных / электронных транспортных слоев. Однако Sun et al. пытается предложить компактную модель различных структур перовскита на основе экспериментальных данных по переносу.

Архитектура

Схема сенсибилизированного перовскитного солнечного элемента, в котором активный слой состоит из слоя мезопористого TiO _2, покрытого перовскитным поглотителем. Активный слой контактирует с материалом n-типа для извлечения электронов и материалом p-типа для извлечения дырок. б) Схема тонкопленочного перовскитного солнечного элемента. В этой архитектуре только плоский слой перовскита зажат между двумя селективными контактами. c) Генерация и извлечение заряда в сенсибилизированной архитектуре. После поглощения света в перовскитном поглотителе фотогенерированный электрон инжектируется в мезопористый TiO _2, через который он извлекается. Образовавшееся при этом отверстие переносится на материал р-типа. г) Генерация и извлечение заряда в тонкопленочной архитектуре. После поглощения света в слое перовскита происходит как генерация заряда, так и его извлечение.

Перовскитные солнечные элементы эффективно функционируют в нескольких различных архитектурах в зависимости от роли перовскитного материала в устройстве или природы верхнего и нижнего электрода. Устройства, в которых положительные заряды извлекаются прозрачным нижним электродом (катодом), можно преимущественно разделить на «сенсибилизированные», где перовскит функционирует в основном как поглотитель света, а перенос заряда происходит в других материалах или «тонкопленочных», где большая часть переноса электронов или дырок происходит в объеме самого перовскита. Подобно сенсибилизации в сенсибилизированных красителями солнечных элементах , перовскитный материал наносится на проводящий заряд мезопористый каркас – чаще всего TiO ₂ – в качестве поглотителя света. В фотогенерируемых электронах переносятся из перовскита слоя к слою мезопористому сенсибилизированному , через которые они транспортируются к электроду и экстрагируют в цепь. Архитектура тонкопленочных солнечных элементов основана на открытии того факта, что перовскитные материалы могут также действовать как высокоэффективные амбиполярные проводники заряда.

После поглощения света и последующей генерации заряда как отрицательный, так и положительный носители заряда транспортируются через перовскит к контактам с селективным зарядом. Перовскитные солнечные элементы возникли из области сенсибилизированных красителями солнечных элементов, поэтому изначально использовалась сенсибилизированная архитектура, но со временем стало очевидно, что они хорошо, если не в конечном итоге, лучше работают в тонкопленочной архитектуре. Совсем недавно некоторые исследователи также успешно продемонстрировали возможность изготовления гибких устройств из перовскитов, что делает их более перспективными для гибкого спроса на энергию. Конечно, аспект индуцированной ультрафиолетом деградации сенсибилизированной архитектуры может быть вредным для важного аспекта долгосрочной стабильности .

Существует еще один другой класс архитектур, в которых прозрачный электрод внизу действует как катод, собирая фотогенерированные носители заряда p-типа.

История

Перовскитные материалы были хорошо известны в течение многих лет, но о первом внедрении в солнечный элемент сообщили Цутому Миясака и др. в 2009 году. Он был основан на сенсибилизированной красителем архитектуре солнечного элемента и обеспечил только 3,8% КПД преобразования энергии (PCE) с тонким слоем перовскита на мезопористом TiO _{2 в} качестве коллектора электронов. Более того, поскольку использовался жидкий коррозионный электролит, ячейка оставалась стабильной только в течение нескольких минут. Park et al. улучшил это в 2011 году, используя ту же концепцию сенсибилизации красителем, достигнув 6.5% PCE.

Прорыв произошел в 2012 году, когда Майк Ли и Генри Снайт из Оксфордского университета поняли, что перовскит был стабильным при контакте с твердотельным переносчиком дырок, таким как спиро-OMeTAD, и не требовал мезопористого слоя TiO ₂ для транспортировки. электроны. Они показали, что эффективность почти 10% достижима при использовании «сенсибилизированной» архитектуры TiO ₂ с твердотельным транспортером дырок, но более высокая эффективность, выше 10%, была достигнута путем замены его инертным каркасом. Дальнейшие эксперименты по замене мезопористого TiO ₂ на Al ₂ O ₃ привели к увеличению напряжения холостого хода и относительному повышению эффективности на 3–5% больше, чем с каркасами из TiO ₂ . Это привело к гипотезе о том, что каркас для извлечения электронов не нужен, что позже оказалось верным. За этой реализацией последовала демонстрация того, что сам перовскит также может переносить дырки, а также электроны. Был получен тонкопленочный перовскитный солнечный элемент без мезопористого каркаса с эффективностью> 10%.

В 2013 году как планарная, так и сенсибилизированная архитектуры претерпели ряд изменений. Burschka et al. продемонстрировали технику осаждения сенсибилизированной архитектуры, эффективность которой превышает 15% за счет двухэтапной обработки раствора. В то же время Ольга Малинкевич и др. и Лю и др. показали, что можно изготавливать планарные солнечные элементы путем совместного термического испарения, достигая эффективности более 12% и 15% в архитектуре штифта и зажима соответственно. Докампо и др. также показали, что можно изготавливать перовскитные солнечные элементы в типичной архитектуре «органических солнечных элементов», «перевернутой» конфигурации с переносчиком дырок внизу и коллектором электронов над планарной пленкой перовскита.

В 2014 году было сообщено о ряде новых методов осаждения и еще более высокой эффективности. Ян Ян из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе заявил об эффективности обратного сканирования 19,3% с использованием планарной тонкопленочной архитектуры. В ноябре 2014 года устройство исследователей из KRICT достигло рекорда с сертификацией нестабилизированной эффективности 20,1%.

В декабре 2015 года исследователи EPFL установили новый рекорд эффективности – 21,0% .

По состоянию на март 2016 года исследователи из KRICT и UNIST установили самый высокий сертифицированный рекорд для однопереходных перовскитных солнечных элементов – 22,1%.

В 2018 году исследователи Китайской академии наук установили новый рекорд с сертифицированной эффективностью 23,3%.

Июнь 2018 г. Oxford Photovoltaics Тандемный солнечный элемент перовскит-кремний площадью 1 см² достиг эффективности преобразования 27,3%, что подтверждено Институтом Фраунгофера по системам солнечной энергии ISE. Это превышает мировой рекорд эффективности 26,7% для однопереходных кремниевых солнечных элементов.

В сентябре 2019 года был установлен новый рекорд эффективности 20,3% с модулем 11,2 см². Этот модуль был разработан консорциумом проекта Apolo в лабораториях CEA. Модуль состоит из 8 последовательно соединенных ячеек, сочетающих методы нанесения покрытия и лазерное нанесение рисунка. Целью проекта является достижение стоимости модуля ниже 0,40 евро / Вт (пиковый уровень мощности).

Стабильность

Одной из серьезных проблем для перовскитных солнечных элементов (PSC) является аспект краткосрочной и долгосрочной стабильности. Нестабильность PSC в основном связана с влиянием окружающей среды (влажность и кислород), термическим напряжением и внутренней стабильностью перовскита на основе метиламмония и перовскита на основе формамидиния , нагревом под приложенным напряжением, фото-воздействием (ультрафиолетовый свет) (видимый свет) и механическими воздействиями. хрупкость. Было выполнено несколько исследований стабильности PSC, и было доказано, что некоторые элементы важны для стабильности PSC. Однако стандартного протокола «оперативной» стабильности для PSC не существует. Но недавно был предложен метод количественной оценки внутренней химической стабильности гибридных галогенидных перовскитов.

Водорастворимость органического компонента абсорбирующего материала делает устройства очень склонными к быстрой деградации во влажной среде. Деградация, вызванная влажностью, может быть уменьшена путем оптимизации составляющих материалов, архитектуры ячейки, интерфейсов и условий окружающей среды на этапах изготовления. Инкапсуляция перовскитного поглотителя композитом из углеродных нанотрубок и инертной полимерной матрицы может предотвратить немедленную деградацию материала влажным воздухом при повышенных температурах. Однако до сих пор не было продемонстрировано никаких долгосрочных исследований и комплексных методов инкапсуляции для перовскитных солнечных элементов. Устройства с мезопористым слоем TiO _2, сенсибилизированным перовскитным поглотителем, также являются УФ- нестабильными из-за взаимодействия между фотогенерированными дырками внутри TiO ₂ и кислородными радикалами на поверхности TiO ₂ .

Измеренная сверхнизкая теплопроводность 0,5 Вт / (км) при комнатной температуре в CH ₃ NH ₃ PbI ₃ может предотвратить быстрое распространение выделяемого света и сохранить устойчивость ячейки к термическим напряжениям, что может сократить срок ее службы. Экспериментально продемонстрировано, что остаток PbI ₂ в перовскитной пленке отрицательно влияет на долговременную стабильность устройств. Утверждается, что проблема стабилизации решается заменой органического транспортного слоя слоем оксида металла, что позволяет ячейке сохранять 90% емкости через 60 дней. Кроме того, две проблемы нестабильности могут быть решены путем использования многофункциональных фторированных фотополимерных покрытий, которые придают люминесцентные свойства и легкость очистки на передней стороне устройств, одновременно образуя сильно гидрофобный барьер для влаги окружающей среды на задней контактной стороне. Переднее покрытие может предотвратить негативное взаимодействие ультрафиолетового света всего падающего солнечного спектра со стеком PSC, преобразовывая его в видимый свет, а задний слой может предотвратить проникновение воды внутрь пакета солнечных элементов. Полученные в результате устройства продемонстрировали превосходную стабильность с точки зрения эффективности преобразования энергии во время 180-дневного теста на старение в лаборатории и теста в реальных условиях на открытом воздухе в течение более 3 месяцев.

В июле 2015 года основным препятствием было то, что самый большой перовскитовый солнечный элемент был размером всего с ноготь и что он быстро разлагался во влажной среде. Однако исследователи из EPFL опубликовали в июне 2017 года работу, успешно демонстрирующую крупномасштабные перовскитные солнечные модули без наблюдаемой деградации в течение одного года (условия короткого замыкания). Теперь, вместе с другими организациями, исследовательская группа стремится разработать полностью пригодный для печати перовскитный солнечный элемент с эффективностью 22% и 90% производительности после испытаний на старение.

В начале 2019 года самый продолжительный на сегодняшний день тест на стабильность показал стабильную выходную мощность в течение не менее 4000 часов непрерывной работы с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT) при 1 солнечном освещении от симулятора солнечного излучения на основе ксеноновой лампы без фильтрации УФ-излучения. Примечательно, что светосборщик, использованный во время теста на стабильность, представляет собой классический перовскит на основе метиламмония (МА), MAPbI ₃ , но устройства не содержат ни селективного слоя на органической основе, ни металлического заднего контакта. В этих условиях было обнаружено, что только термическое напряжение является основным фактором, способствующим потере эксплуатационной стабильности герметизированных устройств.

Внутренняя хрупкость перовскитного материала требует внешнего армирования, чтобы защитить этот критически важный слой от механических напряжений. Введение механически усиливающих каркасов непосредственно в активные слои перовскитных солнечных элементов привело к получению составного солнечного элемента, демонстрирующего 30-кратное увеличение сопротивления разрушению, изменяя свойства разрушения перовскитных солнечных элементов в той же области, что и у обычного c-Si, CIGS и солнечные элементы из CdTe.

Гистерезисное вольт-амперное поведение

Другой серьезной проблемой для перовскитных солнечных элементов является наблюдение, что сканирование вольт-амперной характеристики дает неоднозначные значения эффективности. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента, как правило , определяется , характеризующий его вольт-амперной (IV) поведение при моделируемых солнечном освещении. Однако, в отличие от других солнечных элементов, было замечено, что ВАХ перовскитных солнечных элементов демонстрируют гистерезисное поведение: в зависимости от условий сканирования, таких как направление сканирования, скорость сканирования, поглощение света, смещение – существует несоответствие между сканирование от прямого смещения к короткому замыканию (FB-SC) и сканирование от короткого замыкания к прямому смещению (SC-FB). Были предложены различные причины, такие как движение ионов , поляризация , сегнетоэлектрические эффекты , заполнение состояний ловушки , однако точная причина гистерезисного поведения еще не определена. Но похоже, что определение эффективности солнечного элемента по ВАХ рискует получить завышенные значения, если параметры сканирования превышают временной масштаб, который требуется перовскитной системе для достижения электронного стационарного состояния . Было предложено два возможных решения: Unger et al. показывают, что чрезвычайно медленное сканирование напряжения позволяет системе прийти в установившееся состояние в каждой точке измерения, что, таким образом, устраняет любые расхождения между сканированием FB-SC и SC-FB.

Генри Снайт и др. предложили «стабилизированную выходную мощность» в качестве показателя эффективности солнечного элемента. Это значение определяется путем удерживания тестируемого устройства при постоянном напряжении около точки максимальной мощности (где произведение напряжения и фототока достигает максимального значения) и отслеживания выходной мощности до тех пор, пока она не достигнет постоянного значения. Было продемонстрировано, что оба метода дают более низкие значения эффективности по сравнению с эффективностями, определенными с помощью быстрых IV-сканирований. Однако были опубликованы первоначальные исследования, которые показывают, что пассивация поверхности перовскитового поглотителя – это путь, с помощью которого можно стабилизировать значения эффективности, очень близкие к эффективности быстрого сканирования. Не наблюдалось явного гистерезиса фототока при изменении скоростей развертки или направления в устройствах или скоростей развертки. Это указывает на то, что происхождение гистерезиса фототока более вероятно из-за образования ловушек в некоторых неоптимизированных пленках и процессах изготовления устройств. Окончательный способ проверить эффективность солнечного элемента – это измерить его выходную мощность в точке нагрузки. Если в устройствах имеется большая плотность ловушек или гистерезис фототока по другим причинам, фототок будет медленно расти при включении освещения. Это говорит о том, что интерфейсы могут играть решающую роль в отношении гистерезисного поведения ВАХ, поскольку основное различие инвертированных Архитектура обычной архитектуры заключается в том, что вместо оксида металла используется органический контакт n-типа.

О наблюдении гистерезисных вольт-амперных характеристик до сих пор практически не сообщалось. Лишь небольшая часть публикаций признает гистерезисное поведение описанных устройств, еще меньше статей показывают медленные негистерезисные кривые ВАХ или стабилизированные выходные мощности. Заявленные показатели эффективности, основанные на быстром IV-сканировании, следует считать довольно ненадежными, так как в настоящее время трудно реально оценить прогресс в этой области.

Неоднозначность определения КПД солнечного элемента на основе вольт-амперных характеристик из-за наблюдаемого гистерезиса также повлияла на процесс сертификации, проводимый аккредитованными лабораториями, такими как NREL . Рекордная эффективность 20,1% для перовскитных солнечных элементов, принятая NREL в качестве сертифицированного значения в ноябре 2014 года, была классифицирована как «нестабилизированная». Чтобы иметь возможность сравнивать результаты из разных учреждений, необходимо согласовать надежный протокол измерения, как это было предложено путем включения соответствующего кода Matlab, который можно найти на GitHub.

Перовскиты для тандемного применения

Ячейка из перовскита в сочетании с нижней ячейкой, такой как Si или селенид галлия, индия, меди (CIGS) в качестве тандемной конструкции, может устранить узкие места отдельных элементов и использовать дополнительные характеристики для повышения эффективности. Этот тип ячеек имеет более высокий потенциал эффективности и поэтому в последнее время привлек большое внимание академических исследователей.

4-концевые тандемы

Используя четырехконтактную конфигурацию, в которой две подъячейки электрически изолированы, Bailie et al. получили тандемную ячейку с КПД 17% и 18,6% с донными ячейками из mc-Si (η ~ 11%) и селенида меди, индия и галлия (CIGS, η ~ 17%) соответственно. Была получена тандемная ячейка с КПД 13,4% с высокоэффективной нижней ячейкой гетероперехода a-Si: H / c-Si, использующая ту же конфигурацию. Применение прозрачных электродов на основе TCO для перовскитных ячеек позволило изготавливать прозрачные устройства для ближнего инфракрасного диапазона с повышенной эффективностью и меньшими потерями на паразитное поглощение. Применение этих ячеек в тандемах с 4 контактами позволило повысить эффективность до 26,7% при использовании ячейки с кремниевым дном и до 23,9% с ячейкой с днищем CIGS. В 2020 году команды KAUST – University of Toronto сообщили о четырех оконечных тандемных солнечных элементах из перовскита / кремния с КПД 28,2%. Для достижения этих результатов команда использовала прозрачные электроды из In ₂ O _3, легированные Zr, на полупрозрачных верхних ячейках из перовскита, которые ранее были представлены Aydin et al. и улучшил отклик кремниевых нижних ячеек в ближней инфракрасной области за счет использования широкополосных прозрачных электродов из In ₂ O _3, легированных водородом. Кроме того, команда увеличила длину диффузии электронов (до 2,3 мкм) благодаря пассивации основания Льюиса с помощью мочевины. Рекордная эффективность тандема перовскит / кремний в настоящее время составляет 28,2%.

2-концевые тандемы

Mailoa et al. начал гонку эффективности монолитных 2-концевых тандемов, использующих нижнюю ячейку c-Si с гомопереходом, и продемонстрировал ячейку 13,7%, в значительной степени ограниченную потерями паразитного поглощения. Затем Альбрехт и др. разработали низкотемпературные обработанные перовскитовые ячейки с использованием слоя транспорта электронов SnO ₂ . Это позволило использовать кремниевые солнечные элементы с гетеропереходом в качестве нижнего элемента и повысить эффективность тандема до 18,1%. Вернер и др. затем улучшили эти характеристики, заменив слой SnO ₂ на PCBM и внедрив метод последовательного гибридного осаждения для перовскитного поглотителя, что привело к тандемному элементу с эффективностью 21,2%. Значительные потери абсорбции паразитов из-за использования Spiro-OMeTAD по-прежнему ограничивали общие характеристики. Важное изменение было продемонстрировано Бушем и др., Которые изменили полярность верхней ячейки (от зажима к контакту). Они использовали двухслойный слой SnO ₂ и оксида цинка-олова (ZTO), обработанный методом ALD, для работы в качестве буферного слоя для распыления, который обеспечивает последующее нанесение прозрачного верхнего электрода из оксида индия и олова (ITO). Это изменение помогло улучшить экологическую и термическую стабильность перовскитного элемента и имело решающее значение для дальнейшего улучшения тандемных характеристик перовскит / кремний до 23,6%.

В непрерывности, используя перовскитовую верхнюю ячейку, Sahli et al . продемонстрировал в июне 2018 года полностью текстурированный монолитный тандемный элемент с эффективностью 25,2%, независимо сертифицированный Fraunhofer ISE CalLab. Эту повышенную эффективность можно в значительной степени объяснить значительным снижением потерь на отражение (менее 2% в диапазоне 360–1000 нм, исключая металлизацию) и уменьшенными потерями на паразитное поглощение, что приводит к сертифицированным токам короткого замыкания 19,5 мА / см ² . Также в июне 2018 года компания Oxford Photovoltaics представила элемент с КПД 27,3%. В марте 2020 года команды KAUST – University of Toronto сообщили о тандемных устройствах с литыми перовскитными пленками на полностью текстурированных нижних ячейках с 25,7% в журнале Science Magazine. В настоящее время исследовательские группы стремятся использовать более масштабируемые методы на основе решений для текстурированных ячеек дна. Соответственно, о тандемах на основе перовскита с покрытием из лезвий сообщила совместная группа Университета Северной Каролины и Университета штата Аризона . Вслед за этим в августе 2020 года команда KAUST продемонстрировала первые тандемы на основе перовскита с нанесенным покрытием, что стало важным шагом для ускоренной обработки тандемов. В сентябре 2020 года Aydin et al. показал самые высокие сертифицированные токи короткого замыкания 19,8 мА / см ² для ячеек с полностью текстурированным кремниевым дном. Также Aydin et al . продемонстрировали первые результаты работы на открытом воздухе для тандемных солнечных элементов перовскит / кремний, что было важным препятствием для испытаний надежности таких устройств. Рекордная эффективность тандемов перовскит / кремний в настоящее время составляет 29,15% по состоянию на январь 2020 года.

Теоретическое моделирование

Были предприняты некоторые попытки предсказать теоретические пределы для этих традиционных тандемных конструкций с использованием перовскитной ячейки в качестве верхней ячейки на нижней ячейке гетероперехода c-Si или a-Si / c-Si. Чтобы показать, что выходная мощность может быть еще больше увеличена, также были изучены двусторонние структуры. Был сделан вывод, что дополнительная выходная мощность может быть извлечена из двусторонней структуры по сравнению с двусторонней HIT-ячейкой, когда отражение альбедо принимает значения от 10 до 40%, что является реалистичным. Было указано, что так называемый процесс ударной ионизации может происходить в сильно коррелированных изоляторах, таких как некоторые оксидные перовскиты, что может привести к генерации множества носителей. Также Aydin et al. Выяснилось, что при расчете теоретических пределов следует учитывать температуру, поскольку в реальных условиях эти устройства достигают температуры почти 60 ° C. Этот случай является особым для тандемов перовскит / кремний, поскольку температурная зависимость ширины запрещенной зоны кремния и перовскита – которая следует противоположным тенденциям – смещает устройства от согласования тока для двухполюсных тандемов, которые оптимизированы в стандартных условиях испытаний.

Масштабирование

В мае 2016 года IMEC и ее партнер Solliance объявили о тандемной структуре с полупрозрачной перовскитной ячейкой, установленной поверх кремниевой ячейки с обратным контактом. Заявленный комбинированный КПД преобразования энергии составлял 20,2% с потенциалом более 30%.

Цельноперовскитовые тандемы

В 2016 году разработка эффективных перовскитных материалов с малой шириной запрещенной зоны (1,2 – 1,3 эВ) и изготовление эффективных устройств на их основе позволили разработать новую концепцию: тандемные солнечные элементы, полностью состоящие из перовскита, в которых два перовскитных соединения с разной шириной запрещенной зоны расположены сверху. друг друга. Первые двух- и четырехполюсные устройства с этой архитектурой, о которых сообщалось в литературе, достигли эффективности 17% и 20,3%. Полностью перовскитные тандемные элементы открывают перспективу того, что они станут первой полностью технологичной архитектурой, которая имеет четкий путь к превышению эффективности не только кремния, но также GaAs и других дорогостоящих полупроводниковых солнечных элементов III-V.

В 2017 году Дэвэй Чжао и др. изготовлены смешанные Sn-Pb перовскитные солнечные элементы (PVSC) с малой шириной запрещенной зоны (~ 1,25 эВ) толщиной 620 нм, что позволяет увеличить зерна и кристалличность, чтобы продлить время жизни носителей до более 250 нс, достигая максимальной эффективности преобразования энергии (PCE) 17,6%. Кроме того, этот PVSC с малой шириной запрещенной зоны достиг внешней квантовой эффективности (EQE) более 70% в диапазоне длин волн 700–900 нм, основной инфракрасной области спектра, где солнечный свет проникает в нижнюю ячейку. Они также объединили нижнюю ячейку с верхней ячейкой из перовскита с шириной запрещенной зоны ~ 1,58 эВ, чтобы создать тандемный солнечный элемент из перовскита с четырьмя выводами, получив стабильный PCE 21,0%, что указывает на возможность изготовления высокоэффективного полностью перовскитного тандема. солнечные батареи.

Исследование, проведенное в 2020 году, показывает, что тандемы из перовскита имеют гораздо меньший углеродный след, чем тандемы кремний-первоскит.

Смотрите также

Рекомендации

Капсаицин перца – для ячеек перовскитных солнечных батарей?!

Помогут ли биоматериалы массовому внедрению перовскитовых фотоэлементов солнечных панелей?

Перовскитные ячейки солнечных батарей (perovskite solar cells)

Почему перовскит важен для солнечной энергетики?

Перовскит – чёрный или свинцово-серый минерал, титанат кальция CaTiO3, часто с примесью оксидов редкоземельных металлов до 10%, открыт в 1839 г. Густавом Розе на Среднем Урале. Известен как полупроводник в конденсаторах, исследуется как фотоэлемент солнечных батарей.

Перовскит (perovskite)

Материал имеет превосходные фотоэлектрические свойства в широком диапазоне волн, но растворим в воде, перовскитные ячейки пока проблематичны в обработке. Преимущества:

• Солнечные батареи на базе кремния стоят на 2021 год в среднем 70 центов за 1 Вт, а на основе перовскита могут подешеветь до 10-15 центов.
• Перовскитные  батареи можно создавать в виде тонких и гибких небьющихся и даже полупрозрачных плёнок, что позволяет пересмотреть концепцию использования солнечных панелей, использовать двуслойные конструкции с кремниевой подложкой
• Эффективность перовскитных батарей достигает рекордных 29,15%

Что такое капсаицин?

Капсаицин – химическое вещество, содержащееся в жгучем красном перце, обуславливающее его жгучесть; принадлежит к группе 6 веществ капсаициноидов: капсаицин, дигидрокапсаицин, нордигидрокапсаицин, гомокапсаицин, гомодигидрокапсаицин и нонивамид. Растворим в спирте, растительных маслах, в воде растворим при температуре от 52°C.

Капсаицин (capsaicin)

Капсаицин активирует работу митохондрий – биологических органоидов, ответственных за энергетику живой клетки.

Потребление капсаицина мышами в дозировке 0,01% с пищей в течение четырёх месяцев, без сопутствующих силовых упражнений, вызвало повышение массы мышечных волокон первого типа, то есть красных волокон с низкой утомляемостью, характерных для тяжелоатлетов.

При попытках лечения капсаицином раковых опухолей обнаружен резкий приток ионов кальция Ca2+ в митохондрии, благодаря чему удавалось путём перегрева убить раковые клетки.

Капсаицин концентрируется не в семенах, как многие считают, а в растительной плаценте – белесых волокнах мякоти перца, удерживающих семена. На пике созревания урожая, особенно в сухую жаркую погоду, в стручке даже усохшего куста вырабатывается максимум капсаицина, стимулирующего приток питательных веществ в семена и их энергообмен со стручком. Перезревший перец «стареет», и капсаицин перемещается из плаценты в другие части растения.

Как видим, идея объединения перовскита и капсаицина родилась не на пустом месте – очевидно оба вещества способны участвовать в энергообмене с использованием ионов кальция Ca2+.

Британский стартап: в 2022 г. внедрить перовскитовые солнечные элементы с капсаицином

Публикация по теме: СТИВЕН ДЖОНСОН, 18 января 2021 г

Перовскитные солнечные элементы – новый тип солнечной энергетики, которая более эффективна, чем современные фотоэлектрические технологии, но всё ещё на стадии освоения из-за проблем, связанных со стоимостью и стабильностью.

В недавнем исследовании ученые обработали перовскитовые солнечные элементы небольшим количеством капсаицина, обнаружив, что соединение улучшает стабильность и эффективность.

В 2022 году британский стартап планирует впервые вывести на рынок перовскитовые солнечные батареи.

Новое исследование показало, что обработка перовскитовых солнечных элементов капсаицином, — органическим соединением, придающим перцу жгучести, — делает их более эффективными.

Исследование, опубликованное в журнале Joule, повышает жизнеспособность перовскитных солнечных элементов, — нового типа солнечной технологии, обещающей повышение эффективности  и масштабируемости относительно современных фотоэлектрических технологий.

В ходе исследования группа ученых из Китая и Швеции добавила небольшое количество капсаицина (1% по весу) к химическому предшественнику, используемому для изготовления перовскитных солнечных элементов. Затем команда измерила, насколько эффективно обработанные капсаицином ячейки преобразуют ультрафиолетовый и видимый свет в электричество по сравнению с необработанными перовскитовыми солнечными элементами.

Результаты показали, что обработанные ячейки показали фотоэлектрическую эффективность 21,88%, что выше показателя необработанных ячеек 19,1%. Обработанные ячейки оказались и более стабильными, сохраняя 90% своей изначальной эффективности после 800 часов хранения на открытом воздухе. Это важно, учитывая, что одной из главных причин, препятствующих перовскитовым солнечным элементам стать экономически жизнеспособными, является их тенденция к относительно быстрому разложению в окружающей среде.

Рекордные солнечные перовскиты — ЭНЕРГОСМИ.РУ

Технологии солнечных батарей на основе перовскита имеют потенциал для повышения эффективности и снижения стоимости солнечной энергии, но при этом сохраняются значительные проблемы с затратами и надежностью. 

Солнечный элемент на основе перовскита имеет соединение со структурой перовскита, обычно гибридный органическо-неорганический материал на основе свинца или галогенида олова, используемый в качестве активного слоя для сбора света. Другие материалы, часто используемые для изготовления солнечных перовскитов, включают метиламмоний, галогениды свинца и кремний.

Полезные свойства этой технологии включают широкое поглощение, быстрое разделение заряда, большое расстояние переноса электронов и длительный срок службы разделения носителей. Согласно Perovskite Info, информационному центру по перовскитам, эти свойства привлекли интерес инвесторов и позиционировали солнечные перовскиты как передовую технологию, чтобы превзойти мощность захвата солнечной энергии твердотельными солнечными элементами.

Несмотря на то, что они обладают большим потенциалом, этот тип технологии солнечных батарей все еще находится на ранних стадиях коммерциализации из-за их короткого срока службы и того факта, что они быстро разрушаются при контакте с влагой.

Недавние исследования, направленные на совершенствование технологий, показали, что перовскитные полупроводники значительно дефектоустойчивы, но дефекты на поверхности активного перовскитового слоя требуют дальнейших исследований.

Исследователи также работают над новыми конструкциями ячеек и стратегиями инкапсуляции для защиты технологии в более жестких средах, а также моделируют процессы старения в попытке выяснить, как долго перовскитные солнечные элементы будут храниться на крышах домов.

Еще одним существенным недостатком остается их общая стоимость, тем более что наиболее распространенным электродным материалом в перовскитных солнечных элементах в настоящее время является золото, что делает их значительно дороже.

Наконец, поскольку высокоэффективные перовскиты изготавливаются с небольшим количеством свинца, исследователи также сосредоточены на поиске других успешных композиций и новых стратегий инкапсуляции для решения проблем с токсичностью свинца.

Вот четыре компании, работающие над совершенствованием технологии солнечных батарей на основе перовскита.

Oxford PV, Оксфорд, Великобритания

Oxford PV, основанная в 2010 году в качестве спин-аута из лаборатории Оксфордского университета профессора Генри Снайта, является одним из крупнейших проектов, работающих над коммерциализацией солнечных элементов на основе перовскита.

В декабре 2018 года Oxford PV объявила, что тандемный солнечный элемент на 1 см ² из перовскита-кремния достиг рекордной эффективности преобразования 28%, сертифицированной Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, после чего команда продолжила преследовать свою новую цель – достижение эффективности выше 30%.

Как сообщается, фотоэлектрические элементы Oxford PV эффективны и стабильны с аналогичными устройствами компании, прошедшими минимум 2000 часов испытаний на влажную теплостойкость.

А также научно-исследовательская площадка компании в Оксфорде, Великобритания, Oxford PV расширилась до промышленной пилотной линии недалеко от Берлина, Германия, которая работает над достижением быстрого перевода перовскитов в промышленные масштабы производства кремниевых солнечных батарей, готовясь к полноценному промышленному производству.

Hunt Perovskite Technologies, Даллас, США

Hunt Perovskite Technologies была запущена в 2013 году в составе частной группы компаний, управляемых семьей Рей Хант, которая в основном работает в нефтегазовой отрасли.

Hunt Perovskite специализируется на стабильных металлогалогенных перовскитах в однопереходных солнечных панелях для рынка коммунальных услуг. Компания придумала свой собственный эффективный перовскитовый солнечный элемент и процесс производства чернил на основе которого Hunt Perovskite продемонстрировала в 2019 году, как сообщается, привлекая внимание Международной электротехнической комиссии.

В то время как компания произвела высокоэффективный металлогалогенный перовскитный солнечный элемент в 2014 году, который, как сообщается, может достичь уровня энергоэффективности 18%, его ранние испытания показали проблемы с используемыми материалами. По этой причине Hunt Perovskite в настоящее время сосредоточена на изучении других приложений, которые используют обновленный стабильный и эффективный полупроводник перовскита.

Microquanta Semiconductor, Ханчжоу, Китай

В октябре 2019 года китайский оператор Microquanta Semiconductor объявил, что его перовскитная технология доказала свою эффективность на 14,24% при использовании солнечного модуля на основе перовскита большой площади (200×800 см ² ), согласно сообщениям, проходившего испытание Европейским агентством по установке солнечных батарей. Компания также объявила, что она уже разработала пилотную линию перовскитового модуля мощностью 20 МВт, поскольку она готовится к массовому производству в городе Цюйчжоу, Китай.

Microquanta была создана в 2015 году тремя студентами, вернувшимися со своей учебы за рубежом, и ориентирована на развитие стабильной перовскитной ячейки. До своего последнего достижения, компания добилась стабильного показателя эффективности 17,3% со своим перовскитовым солнечным модулем в 2018 году, что побудило команду перенести свой фокус на устройства большой площади.

Команда Microquanta первоначально начала с частных инвестиций, после чего местное правительство и программа финансирования НИОКР Китая помогли финансировать проект. В апреле 2019 года государственная энергетическая компания China Three Gorges сделала инвестиции в Microquanta, поддержав дальнейшие исследования по коммерциализации перовскитных солнечных устройств компании.

Energy Materials, Рочестер, США

Energy Materials работали над разработкой перовскита около десяти лет, когда в декабре 2019 года Департамент солнечных энергетических технологий США выбрал компанию для продвижения исследований и разработок фотоэлектрических модулей на основе перовскитов.

Департамент энергетики выделил $4 млн финансирования на создание стабильных перовскитных солнечных модулей. Инвестиции сместили фокус компании на высокоскоростную печать целых перовскитных устройств на тонком гибком стекле из бумаги, в том числе прозрачных проводниковых слоев, полученных дорогостоящими методами вакуумного напыления. Компания Energy Materials в настоящее время целиком занимается разработкой своей перовскитовой панели BackbonePV на высокоскоростных производственных линиях.

В заявлении компании говорится, что ее «высокоскоростной процесс печати может снизить стоимость строительства солнечных панелей заводов на 95%, и это может снизить цену продажи высокоэффективных модулей на 50%». Команда также уверена, что «ее гигаваттные заводы в скором времени могут быть воспроизведены во всем мире для удовлетворения местного спроса, помогая отрасли в получении несубсидированной солнечной энергии стоимостью 0,02 кВт-ч «.

Работа Energy Metals также мотивирована целью Организации Объединенных Наций по расширению солнечной энергетики с ее нынешней установленной мощностью 700 гВт до более чем 16 ТВт в глобальном масштабе в течение следующих 30 лет.

Перовскитовые солнечные элементы | Министерство энергетики

ВТОРОЙ ПРИОРИТЕТ – Стабильность и деградация: Перовскитные солнечные элементы продемонстрировали конкурентоспособную эффективность с потенциалом более высокой производительности, но их стабильность довольно ограничена по сравнению со стабильностью ведущих фотоэлектрических технологий: они плохо выдерживают влагу , кислород, продолжительные периоды света или высокая температура. Чтобы повысить стабильность, исследователи изучают деградацию как перовскитных материалов, так и контактных слоев.Повышенная долговечность элементов имеет первостепенное значение при разработке коммерческих перовскитных солнечных батарей.

Несмотря на значительный прогресс в понимании стабильности и деградации перовскитных солнечных элементов, текущий срок службы не является коммерчески выгодным. Мобильные рынки могут допускать более короткий срок эксплуатации, но стабильность во время хранения (до использования) по-прежнему является ключевым критерием эффективности для этого сектора. Для массового производства солнечной энергии технологии, которые не могут работать более двух десятилетий, вряд ли будут жизнеспособными, несмотря на другие преимущества.

Ранние перовскитовые устройства быстро деградировали. Несколько лет назад типичные перовскитовые устройства приходили в нефункциональное состояние за считанные минуты или часы. Теперь несколько групп продемонстрировали срок эксплуатации в несколько месяцев. Для коммерческого производства электроэнергии на уровне сети SETO нацелена на срок эксплуатации не менее 20 лет, а предпочтительно более 30 лет.

Сообщество исследователей и разработчиков перовскита в области фотоэлектрических технологий в значительной степени сосредоточено на эксплуатационном сроке службы и рассматривает несколько подходов для понимания и улучшения внутренней и внешней стабильности и деградации.Усилия включают улучшенную пассивацию поверхности абсорбирующих слоев; альтернативные материалы и составы для слоев поглотителя, слоев переноса заряда и электродов; и передовые герметизирующие материалы и подходы, которые уменьшают источники деградации во время изготовления и эксплуатации.

Одна проблема с оценкой деградации перовскитов связана с разработкой последовательных методологий испытаний и валидации. Исследовательские группы часто сообщают о результатах работы, основанных на различных условиях испытаний, включая изменчивость подходов к инкапсуляции, состав атмосферы, освещенность, электрическое смещение и другие параметры.Хотя такие различные условия испытаний могут дать понимание и ценные данные, отсутствие стандартизации затрудняет прямое сравнение результатов и затрудняет прогнозирование эксплуатационных характеристик по результатам испытаний. Это влияет на все сообщество исследователей и разработчиков перовскита, независимо от какой-либо конкретной области исследований, набора материалов или подхода к улучшению стабильности.

ПРИОРИТЕТ ТРЕТИЙ – Технологичность: Для производства перовскитных солнечных элементов требуется расширение производства перовскита.Обеспечение масштабируемости и воспроизводимости процессов может увеличить объемы производства и позволить перовскитным фотоэлектрическим модулям соответствовать установленным для офиса планам затрат на электроэнергию и потенциально превышать их.

Ячейки представляют собой тонкопленочные устройства, состоящие из слоев материалов, напечатанных или покрытых жидкими чернилами или нанесенных методом вакуумного напыления. Производство однородного перовскитового материала с высокими эксплуатационными характеристиками в крупномасштабных производственных условиях является сложной задачей, и существует существенная разница в производительности между эффективностью ячейки малой площади и производительностью модуля большой площади.Будущее производства перовскита будет зависеть от решения этой проблемы, которая остается активной областью работы в сообществе исследователей фотоэлектрических систем.

Для изготовления перовскитных устройств в лабораторных условиях использовались различные методы. Многие из этих методов нелегко масштабировать, но прилагаются значительные усилия для применения масштабируемых подходов к производству перовскита. Для тонкопленочных технологий их можно разделить на два основных типа производственных линий:

• От листа к листу: Слои устройства нанесены на жесткую подложку, которая обычно действует как лицевая поверхность готового солнечного модуля.Этот подход обычно используется в производстве тонкопленочных материалов из теллурида кадмия.
• Roll-to-Roll: Слои устройства наносятся на гибкую подложку, которую затем можно использовать как внутреннюю или внешнюю часть готового модуля. Исследователи опробовали этот подход для других фотоэлектрических технологий, но он не получил значительной коммерческой поддержки из-за препятствий на пути получения высокой эффективности преобразования солнечной энергии (независимо от способа изготовления). Однако он широко используется для производства фотографической и химической пленки и бумажной продукции, например газет.

Масштабируемость этих подходов к производству дает перовскитам потенциал для более быстрого увеличения емкости по сравнению с кремниевыми фотоэлектрическими элементами. Рассматриваемые процессы хорошо зарекомендовали себя в киноиндустрии, что позволяет легко использовать знания и цепочки поставок, связанные с инструментами и компонентами, для дальнейшего снижения затрат и рисков на масштабирование.

Дополнительными препятствиями для коммерциализации являются потенциальное воздействие на окружающую среду, связанное с перовскитным поглотителем, который основан на свинце.Таким образом, альтернативные материалы изучаются для оценки, снижения, смягчения и потенциального устранения токсичности и экологических проблем.

ПРИОРИТЕТ ЧЕТВЕРТЫЙ – Подтверждение технологий и приемлемость для банков: Валидация, проверка эффективности и приемлемость для банков – обеспечение готовности финансовых учреждений финансировать проект или предложение по разумным процентным ставкам – необходимы для коммерциализации перовскитных технологий. Разнообразие протоколов тестирования и минимальные полевые данные ограничивают возможность сравнения производительности перовскитных устройств и повышают уверенность в долгосрочном рабочем поведении.

Текущие протоколы тестирования солнечных фотоэлектрических устройств были разработаны для существующих основных фотоэлектрических технологий. Они используют тестирование в помещении с использованием протоколов, подтвержденных на основе десятилетий корреляции с характеристиками на открытом воздухе. Они не могут быть хорошими предсказателями долгосрочных характеристик новых фотоэлектрических технологий вне помещений. Объективная и надежная проверка с использованием протоколов испытаний, которые могут адекватно прогнозировать долговременную работу вне помещений, имеет решающее значение для получения достаточной уверенности в перовскитных технологиях, позволяющих инвестировать в масштабирование производства и развертывание.Быстро меняющиеся материалы и состав устройств перовскитных солнечных элементов делают эту стандартизированную проверку особенно сложной и важной.

Ориентиры и цели

SETO отслеживает прогресс в научно-исследовательских и производственных сообществах и взаимодействует с потенциальными заинтересованными организациями, инвесторами, финансистами и конечными пользователями для создания контрольных показателей и целей для коммерческого развертывания перовскитных фотоэлектрических элементов на рынке генерации электроэнергии.Эти контрольные показатели и цели, вероятно, будут развиваться по мере углубления понимания того, что позволит производить и развертывать перовскитные фотоэлектрические элементы в гигаваттном масштабе.

Разрабатываются различные материалы, конструкции устройств и технологии производства, и неясно, какой из этих подходов является наиболее перспективным. Цели для перовскитных ячеек и модулей с одинарным переходом будут отличаться от мишеней для гибридных перовскитных тандемов и полностью перовскитных тандемов. Ниже приведены некоторые обобщенные цели на ранних этапах, имеющие отношение к стимулированию коммерциализации перовскита ФЭ.Цели более поздней стадии находятся в стадии разработки и будут опубликованы в будущем.

По мере того, как перовскитные фотоэлектрические элементы поступают в продажу, необходимо соблюдать баланс между демонстрацией высокой эффективности преобразования мощности и высокой стабильностью, использованием масштабируемых производственных процессов и масштабированием от отдельных ячеек до многокомпонентных модулей с большими активными областями. Цели, представленные здесь, предназначены для модулей, а не для ячеек. Некоторая потеря эффективности активной области связана с увеличением масштаба от ячеек к модулям. Чтобы перовскитная фотоэлектрическая технология стала коммерчески жизнеспособной, на ранних этапах необходимы целевые показатели эффективности преобразования энергии от 18% до 25%, что демонстрируется с помощью многоячеечных модулей размером от десятков квадратных сантиметров до квадратных метров.Более половины слоев (включая слой перовскита) в пакете устройств следует наносить с помощью масштабируемых методов осаждения с соответствующей производительностью или скоростью осаждения для крупносерийного производства. Первоначально эти модули должны демонстрировать стабильность работы, сохраняя от 80% до 95% своей исходной производительности после 1000 часов ускоренных испытаний. Эти цифры необходимо будет улучшить в будущем, чтобы они соответствовали желаемому десятилетнему сроку эксплуатации. Между тем, эти целевые показатели представляют собой полезную метрику, помогающую сообществу перовскитов повысить надежность.

СЭТО Финансирование НИОКР по перовскиту

Вы также можете посетить нашу карту солнечных проектов и выполнить поиск по запросу «перовскит», чтобы узнать больше об этих проектах.

Дополнительная информация

Узнайте больше о программе солнечных батарей для офиса.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних новостей.

Solliance достигает эффективности 28,7% на тандемных солнечных элементах из перовскита и кремния – pv magazine International

Голландский консорциум добился рекордного результата, объединив в тандемной конфигурации с четырьмя контактами 18.6% -ный прозрачный перовскит в ближней инфракрасной области с прототипом кремниевого гетероперехода (SHJ) c-Si с встречно-штыревыми контактами (IBC), разработанного японским производителем электроники Panasonic. Перовскитовый элемент также был объединен с другими видами солнечных элементов, и были достигнуты другие замечательные рекорды эффективности.

22 апреля 2021 г. Эмилиано Беллини

Консорциум European Solliance Solar Research (Solliance), базирующийся в Нидерландах, добился эффективности преобразования энергии 28,7% на прозрачном перовскитном солнечном элементе в сочетании с солнечным элементом из кристаллического кремния в четырехугольном корпусе тандемная конфигурация терминала.

Устройство основано на перовскитовой ячейке с высокой эффективностью в ближней инфракрасной области с эффективностью 18,6%, созданной голландским исследовательским институтом TNO, EnergyVille, совместным предприятием фламандских исследовательских партнеров KU Leuven, VITO, UHasselt и Imec и Эйндховенского университета. Technology, которые являются членами Solliance, и прототипом кремниевого гетероперехода (SHJ) c-Si встречно-штыревым контактом (IBC), разработанным японским производителем электроники Panasonic.

Усовершенствования перовскитного солнечного элемента размером 9 мм2 стали решающим фактором повышения общей эффективности тандемного элемента примерно на 1.5%, заявили исследователи, добавив, что они настроили оптоэлектрические свойства перовскитного солнечного элемента, чтобы они лучше соответствовали оптическим свойствам другого элемента. «Затем мы определили коэффициенты потерь в конфигурации с четырьмя терминалами и шаг за шагом минимизировали их», – сказал исследователь TNO Донг Чжан. «Наконец, мы оптимизировали управление светом всего тандемного устройства, другими словами, мы максимально увеличили поглощение света тандемным солнечным элементом».

Перовскитовый элемент был также объединен с другими видами солнечных элементов, и была также достигнута замечательная эффективность.В сочетании с коммерческим элементом SHJ с металлической оболочкой c – Si (MWT), разработанным совместно TNO и японским производителем солнечной энергии Chosu Industry, КПД достиг 28,2%. В другой комбинации с элементом c-Si PERC, предоставленным Solarlab Aiko Europe GmbH, немецкой дочерней компанией китайского производителя модулей Aiko, эффективность составила 27,7%.

Кроме того, группа исследователей объединила прозрачный перовскитовый элемент с гибким тандемным солнечным элементом на основе селенида меди, индия и галлия (CIGS), созданного MiaSolé Hi-Tech, U.S. единица китайского тонкопленочного специалиста Hanergy, и эффективность составила 27,0%.

«Эти отличные результаты формируют основу для следующего этапа разработки, который включает масштабирование территории и процессов», – сказал исследователь Мехрдад Наджафи. «В настоящее время партнеры Solliance – TNO и imec / EnergyVille – разрабатывают недорогие процессы масштабирования для модулей большой площади и поддержания той же производительности».

Ученые также указали, что тандемный элемент перовскит / c – Si с четырьмя выводами может применяться в двухсторонних солнечных модулях c – Si, поскольку он способен обеспечивать общую плотность выработки электроэнергии 320 Вт / м² в зависимости от альбедо .

В феврале компания Solliance объявила об эффективности преобразования энергии 26,5% для солнечного элемента, объединяющего две различные тонкопленочные фотоэлектрические технологии в тандемной конфигурации. В ноябре 2019 года MiaSolé объявила новый рекорд в 18,64% для гибкой ячейки CIGS. Знаковое достижение представляет собой значительное улучшение предыдущего рекорда 17,44%, установленного пятью месяцами ранее. В январе 2019 года консорциум достиг эффективности 21,5% для гибкого тандемного солнечного элемента с селенидом меди, индия, галлия (CIGS) на основе перовскита.

Solliance и TNO также заявили в марте 2018 года, что они зарегистрировали КПД в 26,3% для прозрачного перовскитного солнечного элемента в сочетании с кристаллическим кремниевым солнечным элементом. Месяц спустя Solliance также объявила о новом рекордном показателе производительности перовскитных модулей большой площади с уровнем эффективности преобразования 14,5%.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, свяжитесь с нами: editors @ pv-magazine.com.

Министерство энергетики США расширяет исследования перовскитов в рамках программы US-MAP

Министерство энергетики США выделило 40 миллионов долларов на финансирование продолжающихся исследований перовскитов, большая часть которых идет на объекты, связанные с консорциумом, возглавляемым Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (NREL).

Совместное усилие, организованное в NREL два года назад под названием Консорциум по производству перспективных перовскитов в США (US-MAP), представляет собой государственно-частный проект с участием лабораторий, университетов и частного сектора.Консорциум объединяет лидеров в области исследования, разработки и производства перовскита, чтобы снизить затраты и минимизировать риски для потенциальных инвесторов.

Фонды Министерства энергетики поддерживают научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на продвижение перовскитных фотоэлектрических (ФЭ) устройств, производство и проверку рабочих характеристик. Перовскит, который относится к кристаллической структуре, а не к отдельному материалу, такому как кремний, показал потенциал своей высокой эффективности в преобразовании солнечного света в электричество и более низкой стоимости производства по сравнению с другими фотоэлектрическими материалами.

«Эта инвестиция Министерства энергетики представляет собой значительный шаг на пути к коммерциализации металлогалогенных перовскитов в фотоэлектрических элементах», – сказала Лаура Шелхас, исполнительный директор US-MAP. «Мы надеемся, что наши партнеры US-MAP продолжат сотрудничество благодаря получению этих наград и будут продолжать лидировать в инновациях в области характеристик и производства этих материалов».

Через Управление технологий солнечной энергии (SETO) Министерство энергетики инвестирует в два основных направления: повышение эффективности и стабильности перовскитной солнечной технологии и решение проблем при производстве перовскитных фотоэлектрических модулей.

В первой категории SETO награждено:

• 2,15 миллиона долларов США переданы Университету Колорадо в Боулдере на два проекта – один по поиску высокоэффективных перовскитных сплавов, а другой по потенциальному внедрению способов тестирования стабильности перовскитных солнечных элементов и помощи в прогнозировании их долгосрочной стабильности поле
• 1,5 миллиона долларов США в Национальную ускорительную лабораторию SLAC для разработки передовых инструментов определения характеристик для определения того, что определяет стабильность устройства и надежность производства
• $ 1.25 миллионов долларов США в Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл для разработки эффективных и стабильных перовскитных ячеек с использованием формамидиния и цезия
• 1,2 миллиона долларов в фонд NREL на разработку методов электрооптической визуализации для измерения характеристик пленки и кристаллов в фотоэлектрических устройствах.
• 500 000 долл. США в пользу Swift Solar для исследования компонентов на уровне модулей с целью обеспечения их долгосрочной эксплуатационной стабильности.

NREL также будет сотрудничать с Брауновским университетом и Технологическим институтом Джорджии по отдельным проектам.Браун получит 1,5 миллиона долларов на исследования по созданию более прочных связей внутри солнечной батареи. SETO предоставила Технологическому институту Джорджии 800 000 долларов на разработку слоев переноса заряда, конструктивно спроектированных для проведения электричества, подавления кристаллизации и предотвращения разложения влаги в клетках.

В области производства, SETO присвоил:

• 2,5 миллиона долларов компании First Solar на разработку экономичного и высокопроизводительного процесса производства перовскитных фотоэлектрических модулей.
• $ 2.5 миллионов для Hunt Perovskite Technologies, чтобы продемонстрировать высокоэффективные свинцово-безопасные фотоэлектрические модули на основе перовскита, изготовленные с помощью покрытия щелевой штамп.
• 2 миллиона долларов для Tandem PV для разработки и производства тандемных модулей размером 1 метр на 2 метра.

SETO также выделила 9 миллионов долларов Sandia National Laboratories и 5 миллионов долларов NREL на сотрудничество в продвижении перовскитных солнечных элементов к коммерциализации. Сандиа возглавит интегрированный Центр валидации и банковского обслуживания.

«Другие фотоэлектрические технологии, такие как CIGS, продемонстрировали значительный потенциал, но в конечном итоге не достигли коммерческого успеха», – сказал Майкл Ирвин, технический директор Hunt Technologies LLC (HPT).«Благодаря лидерству NREL в Центре валидации и приемлемости перовскита DOE SETO мы можем использовать полученные уроки, чтобы гарантировать, что этот необычный полупроводник в металлогалогенидном перовските сможет реализовать свой потенциал в солнечных фотоэлектрических приложениях. HPT сотрудничает с NREL с 2014 года, и мы надеемся на продолжение сотрудничества через US-MAP ».

Для получения дополнительной информации об US-MAP посетите сайт www.usa-perovskites.org.

Статья любезно предоставлена ​​ NREL .

---

Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать участником, сторонником, техническим специалистом или представителем CleanTechnica – или покровителем Patreon.

У вас есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.

Перовскитовые солнечные элементы с эффективностью преобразования энергии превышают 25%

Высоколюминесцентный и стабильный перовскит альфа-FAPbI3, полученный с помощью анионной инженерии HCOO-.Предоставлено: Джин Ён Ким (UNIST).

Перовскиты – это гибридные соединения, которые могут быть получены из галогенидов металлов и органических компонентов. Их привлекательные структурные и электронные свойства поставили их на передний план исследований материалов, с огромным потенциалом для преобразования широкого спектра приложений, в том числе в солнечных элементах, светодиодных источниках света, лазерах и фотодетекторах.

Металлогалогенные перовскиты, в частности, обладают большим потенциалом в качестве сборщиков света для тонкопленочных фотоэлектрических элементов.Одним из ведущих кандидатов среди перовскитов на основе галогенидов металлов является трииодид свинца формамидиния (FAPbI ₃ ), который оказался наиболее перспективным полупроводником для высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов. Следовательно, ученые пытались максимизировать его производительность и стабильность.

Теперь группа ученых под руководством профессора Майкла Гретцеля из Школы фундаментальных наук EPFL применила новый химический трюк, который значительно усиливает эффективность FAPbI ₃ .Использование этого подхода приводит к устройствам солнечных элементов с эффективностью преобразования энергии до 25,6%, стабильностью работы не менее 450 часов и интенсивной электролюминесценцией с внешней квантовой эффективностью (количество света, которое элемент может производить при прохождении электрического тока). более 10%. Работа опубликована в журнале «Nature ».

Ученые совершили подвиг с помощью «концепции анионной инженерии», которая увеличивает кристалличность пленок FAPbI ₃ и устраняет дефекты.Путем введения в смесь формиата псевдогалогенидного аниона (HCOO ^–) они смогли подавить структурные дефекты, которые обычно присутствуют на границах зерен и на поверхности перовскитных пленок.

Авторы пишут: «Наши результаты обеспечивают прямой путь к устранению наиболее распространенных и вредных дефектов решетки, присутствующих в металлогалогенных перовскитах, обеспечивая легкий доступ к обрабатываемым в растворе пленкам с улучшенными оптоэлектронными характеристиками».

---

Химические инновации стабилизируют состав перовскита с лучшими характеристиками

---

Дополнительная информация: Jaeki Jeong et al.Разработка псевдогалогенидных анионов для α-FAPbI ₃ перовскитных солнечных элементов, Nature (2021). DOI: 10.1038 / s41586-021-03406-5 Предоставлено Федеральная политехническая школа Лозанны

Ссылка : Эффективность преобразования энергии перовскитных солнечных элементов превышает 25% (21 апреля 2021 г.) получено 23 апреля 2021 г. из https: // techxplore.ru / news / 2021-04-перовскит-солнечные-элементы-преобразование-мощность-энергоэффективность.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

перовскитовых солнечных панелей достигают 25.КПД преобразования 6 процентов

Исследователи во всем мире работают над оптимизацией солнечных панелей, чтобы получить больше бесплатной чистой энергии от солнца. Одним из материалов, который исследователи изучают как потенциальную замену обычным солнечным панелям, является перовскит. Пока что проблема перовскитных солнечных панелей и гибридных соединений заключается в том, что они менее эффективны, чем обычные солнечные панели.

Физико-химики и инженеры-химики во главе с командой EPFL объявили о прорыве в эффективности преобразования энергии и эксплуатационной стабильности перовскитных солнечных элементов.Команда достигла КПД 25,6% в преобразовании энергии и стабильности работы не менее 450 часов. Перовскит – это гибридное соединение, состоящее из галогенидов металлов и органических компонентов.

Этот материал обладает структурными и электронными свойствами, которые ставят его на передний план исследований материалов с потенциалом для трансформации широкого спектра применений, включая солнечные элементы, светодиодные фонари, лазеры и фотодетекторы. Металлогалогенные перовскиты представляют особый интерес для исследователей из-за их потенциала в качестве сборщиков света для тонкопленочных фотоэлектрических элементов.Лидирующим кандидатом среди перовскитов галогенидов металлов является трииодид свинца формамидиния.

Этот материал считается наиболее перспективным полупроводником для высокоэффективных и стабильных перовскитных солнечных элементов. Команда исследователей использует новый химический подход для значительного увеличения эффективности трииодида свинца формамидиния для достижения эффективности преобразования энергии до 25,6% при стабильной работе не менее 450 часов при обеспечении интенсивной электролюминесценции.

Исследователи говорят, что внешний квантовый выход, то есть количество света, которое клетка может производить при прохождении электрического тока, превышает 10 процентов.Исследователи говорят, что их результаты предоставили прямой путь к устранению наиболее распространенных и вредных дефектов решетки, присутствующих в ментально-галогенидных перовскитах.

Разработка псевдогалогенидных анионов для перовскитных солнечных элементов α-FAPbI 3

1.

Кодзима, А., Тешима, К., Шираи, Ю. и Миясака, Т. Металлогалогенидные перовскиты в качестве сенсибилизаторов видимого света для фотоэлектрических элементов . J. Am. Chem. Soc . 131 , 6050–6051 (2009).

Артикул CAS Google Scholar

2.

Гретцель М. Свет и тень перовскитных солнечных элементов. Nat. Материал . 13 , 838–842 (2014).

ADS Статья CAS Google Scholar

3.

Парк, Н.-Г. и другие. На пути к стабильным и коммерчески доступным перовскитным солнечным элементам. Nat. Энергетика 1 , 16152 (2016).

ADS Статья CAS Google Scholar

4.

Correa-Baena, J. P. et al. Перспективы и проблемы перовскитных солнечных элементов. Наука 358 , 739–744 (2017).

ADS Статья CAS Google Scholar

5.

Лу, Х., Кришна, А., Закееруддин, С. М., Гретцель, М. и Хагфельд, А. Композиционная и интерфейсная инженерия органических-неорганических перовскитных солнечных элементов на основе галогенида свинца. iScience 23 , 101359 (2020).

ADS Статья CAS Google Scholar

6.

Eperon, G.E. et al. Формамидиния тригалогенид свинца: широко настраиваемый перовскит для эффективных планарных солнечных элементов с гетеропереходом. Energy Environ. Sci . 7 , 982–988 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

7.

Пеллет, N.и другие. Фотовольтаика на основе перовскита со смешанными органическими катионами для улучшения сбора солнечного света. Angew. Chem. Int. Эд . 53 , 3151–3157 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

8.

Jeon, N.J. et al. Композиционная инженерия перовскитовых материалов для высокоэффективных солнечных элементов. Природа 517 , 476–480 (2015).

ADS Статья CAS Google Scholar

9.

Lu, H. et al. Осаждение из паров высокоэффективных, стабильных черных фаз FAPbI ₃ перовскитных солнечных элементов. Наука 370 , eabb8985 (2020).

Артикул CAS Google Scholar

10.

De Wolf, S. et al. Металлоорганические галогенидные перовскиты: острый край оптического поглощения и его связь с фотоэлектрическими характеристиками. J. Phys. Chem. Lett . 5 , 1035–1039 (2014).

Артикул CAS Google Scholar

11.

Stranks, S. D. et al. Длины диффузии электронных дырок более 1 микрометра в металлоорганическом тригалогенидном перовскитном поглотителе. Science 342 , 341–344 (2013).

ADS Статья CAS Google Scholar

12.

Herz, L.M. et al. Подвижности носителей заряда в металлогалогенных перовскитах: основные механизмы и ограничения. САУ Energy Lett . 2 , 1539–1548 (2017).

Артикул CAS Google Scholar

13.

NREL. Best Research-Cell Efficiency Chart https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (по состоянию на 17 марта 2021 г.).

14.

Zheng, X. et al. Управление зернами и границами раздела через лигандное закрепление позволяет использовать инвертированные перовскитные солнечные элементы с КПД 22,3%. Nat. Энергетика 5 , 131–140 (2020).

ADS Статья CAS Google Scholar

15.

Liu, Z. et al. Комплексный подход к стабилизации границ раздела для эффективных перовскитных солнечных модулей со стабильностью работы более 2000 часов. Nat. Энергетика 5 , 596–604 (2020).

ADS Статья CAS Google Scholar

16.

Saliba, M. et al. Цезийсодержащие солнечные элементы на перовските с тройным катионом: улучшенная стабильность, воспроизводимость и высокая эффективность. Energy Environ. Sci . 9 , 1989–1997 (2016).

Артикул CAS Google Scholar

17.

Kim, M. et al. Хлорид метиламмония способствует стабилизации промежуточной фазы для эффективных перовскитных солнечных элементов. Джоуль 3 , 2179–2192 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

18.

Мин, Х. и др. Эффективные и стабильные солнечные элементы за счет использования запрещенной зоны α-фазы формамидиния иодида свинца. Наука 366 , 749–753 (2019).

ADS Статья CAS Google Scholar

19.

Yang, S. et al. Тиоцианат способствовал повышению производительности планарных перовскитных солнечных элементов на основе формамидиния за счет одностадийного процесса растворения. J. Mater. Chem. А 4 , 9430–9436 (2016).

Артикул CAS Google Scholar

20.

Kim, D.H. et al. Бимолекулярные добавки улучшают перовскиты с широкой запрещенной зоной для создания эффективных тандемных солнечных элементов с CIGS. Джоуль 3 , 1734–1745 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

21.

Kim, D. et al. Эффективные, стабильные тандемные кремниевые ячейки, созданные на основе широкозонных перовскитов, созданных анионами. Наука 368 , 155–160 (2020).

ADS Статья CAS Google Scholar

22.

Уокер Б., Ким Г. Х. и Ким Дж. Й. Псевдогалогениды в перовскитных полупроводниках на основе свинца. Adv. Материал . 31 , 1807029 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

23.

Мур, Д. Т. и др. Прямой путь кристаллизации перовскита иодида свинца метиламмония из ионной жидкости. Chem. Материал . 27 , 3197–3199 (2015).

ADS Статья CAS Google Scholar

24.

Seo, J. et al. Ионная жидкость контролирует рост кристаллов для повышения эффективности планарных перовскитных солнечных элементов. Adv. Энергия Матер . 6 , 1600767 (2016).

Артикул CAS Google Scholar

25.

Nayak, P. K. et al. Механизм быстрого роста кристаллов органо-неорганических галогенидов перовскита. Nat. Коммуна . 7 , 13303 (2016).

ADS Статья CAS Google Scholar

26.

Meng, L. et al. Повышенная эффективность перовскитных солнечных элементов за счет настройки коллоидного размера и концентрации свободных ионов в растворе прекурсора с использованием добавки муравьиной кислоты. J. Energy Chem . 41 , 43–51 (2020).

Артикул Google Scholar

27.

Khan, Y. et al. Водонепроницаемые перовскиты: высокий квантовый выход флуоресценции и стабильность из смеси бромида свинца / формиата метиламмония в воде. J. Mater.Chem. C 8 , 5873–5881 (2020).

Артикул CAS Google Scholar

28.

Аскар А.М. и др. Перестраиваемый состав перовскитов смешанных галогенидов формамидиния и свинца с помощью механохимического синтеза без растворителей: расшифровка сред Pb с помощью твердотельной ЯМР-спектроскопии. J. Phys. Chem. Lett . 9 , 2671–2677 (2018).

Артикул CAS Google Scholar

29.

Kubicki, D. J. et al. Катионная динамика в смешанных катионах (MA) _x (FA) _{1- x} PbI ₃ гибридных перовскитов из твердотельного ЯМР. J. Am. Chem. Soc . 139 , 10055–10061 (2017).

Артикул CAS Google Scholar

30.

Zhou, Z. et al. Синтез, микроволновые спектры, рентгеновская структура и высокоуровневые теоретические расчеты для формиата формамидиния. J. Chem. Phys . 150 , 094305 (2019).

ADS Статья CAS Google Scholar

31.

Ross, R. et al. Некоторые термодинамики фотохимических систем. J. Chem. Phys . 46 , 4590–4593 (1967).

ADS Статья CAS Google Scholar

32.

Tress, W. et al. Прогнозирование напряжения холостого хода CH ₃ NH ₃ PbI ₃ перовскитных солнечных элементов с использованием спектров электролюминесценции и фотоэлектрической квантовой эффективности: роль излучательной и неизлучательной рекомбинации. Adv. Энергия Матер . 5 , 1400812 (2015).

Артикул CAS Google Scholar

33.

Jiang, Q. et al. Пассивация поверхности перовскитовой пленки для эффективных солнечных элементов. Nat. Фотоника 13 , 460–466 (2019).

ADS Статья CAS Google Scholar

34.

Yang, D. et al. Оптимизация поверхности для устранения гистерезиса для получения рекордной эффективности планарных перовскитных солнечных элементов. Energy Environ. Sci . 9 , 3071–3078 (2016).

Артикул CAS Google Scholar

35.

Куик, М., Костер, Л. Дж., Ветцелаер, Г. А. и Блом, П. В. Рекомбинация с помощью ловушек в неупорядоченных органических полупроводниках. Phys. Rev. Lett . 107 , 256805 (2011).

ADS Статья CAS Google Scholar

36.

Грин, М. Точность аналитических выражений для коэффициентов заполнения солнечных элементов. Солнечные элементы 7 , 337–340 (1982).

ADS Статья CAS Google Scholar

37.

Wang, Y. et al. Стабилизирующие гетероструктуры мягких перовскитных полупроводников. Наука 365 , 687–691 (2019).

ADS Статья CAS Google Scholar

Перовскитные солнечные элементы | Фотоэлектрические исследования

Прикладная программа по перовскиту

NREL направлена ​​на превращение перовскитных солнечных элементов в жизнеспособную технологию устраняя барьеры для коммерциализации, повышая эффективность, контролируя стабильность, и включение масштабирования.

Перовскитовые материалы

обладают отличным поглощением света, подвижностью носителей заряда, и срок службы, что приводит к высокой эффективности устройства с возможностью реализовать недорогая, масштабируемая технология. Для реализации этого потенциала нам потребуется преодолеть барьеры, связанные со стабильностью и экологической совместимостью, но если эти проблемы решены, технология на основе перовскита обладает трансформационным потенциалом для быстрого развертывания солнечной энергии в тераваттном масштабе.Основные свойства материалов также вызвал интерес к использованию гибридных перовскитных полупроводников в более широком классе энергии. приложения, которые охватывают традиционные электронные и оптические системы.

За несколько коротких лет NREL внесла значительный технический вклад в разработку перовскита. исследования, о чем свидетельствуют его ведущие публикации и значительный интерес по отраслям.Воздействие NREL стало возможным благодаря краткосрочным лабораторным исследованиям. Финансирование развития и ранние инвестиции от Управления Министерства энергетики США. наук, Управление фундаментальных энергетических наук, Программа солнечной фотохимии, а затем усилиями, финансируемыми Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам Министерства энергетики Энергия, сфокусированная на фотоэлектрических элементах (PV). На сегодняшний день ученые NREL опубликовали более 60 статей в высокоэффективных журналах в этой области.

Наш опыт

У нас есть опыт работы с перовскитом в области фотоэлектрических систем:

• Характеристика основных материалов
  • Фундаментальная фотофизика, фотохимия и динамика экситонов / носителей заряда
  • Процессы выравнивания межфазной энергии и переноса заряда (сбора носителей)
  • Структурно-композиционные характеристики
• Разработка материалов и композиции для повышения стабильности
• Производство высокоэффективных солнечных элементов с проверкой производительности и стабильности устройства
• Масштабирование, печать, нанесение покрытий методом штамповки и производство рулонов.

Области исследований

Уникальные свойства галогенидных перовскитных систем и их способность обрабатывать раствор может сделать возможным их использование – и, по доверенности, деятельность NREL – в обработке решений и расширенных изготовление.

Область применения этого общего класса систем включает маломощную электронику, излучатели света, детекторы и связанные с ними системы интегральных схем для динамической энергии управление многочисленными приложениями.

Уникальная динамика охлаждения носителя указывает на то, что эти системы также могут быть привлекательными для термоэлектрических и связанных с ними энергоаккумулирующих устройств, которые используются в гражданском и потребности в военной энергии.

Инструменты и возможности

NREL предлагает ряд инструментов и возможностей для НИОКР в области перовскитовых материалов и устройств.

Материалы и конструкция устройства

• Химический синтез и синтез наноматериалов
  Синтез новых прекурсоров позволяет создавать новые перовскиты или высокостабильные материалы и нанокристаллические исходные материалы для высококачественных слоев перовскита.
• Производство современных устройств
  NREL регулярно достигает КПД> 20% и имеет высокоэффективные устройства на 1 см ² и больше.
• Современный синтез контактных материалов из углеродных нанотрубок
• Масштабирование и изготовление устройств большой площади
  Возможности варьируются от струйного напыления на платформе атмосферной обработки.

Материалы и характеристики устройств

• Фемтосекундная фотолюминесценция, нестационарная спектроскопия поглощения и нестационарная терагерцовая спектроскопия
  Эти методы позволяют нам изучать динамику экситонов и носителей заряда и изучить перенос заряда на интерфейсах.
• Переходная микроволновая проводимость
  Этот уникальный инструмент чрезвычайно чувствителен к свободным носителям заряда и позволяет очень чувствительное исследование генерации носителей и переноса заряда на солнечных батареях. интенсивности света.
• Определение характеристик структуры с помощью рентгеновской дифракции
  Наше оборудование позволяет проводить крупномасштабный комбинаторный анализ эволюции структуры при обработке перовскитов.Для этого мы также активно сотрудничаем с SLAC. цель.

• Система анализа параметров солнечной энергии
  Эта система обеспечивает уникальный набор характеристик долгосрочной надежности для отдельных Фотоэлементы. Система состоит из четырех компонентов: проточной ячейки; индивидуально адресуемый, матричный электрические каналы для испытуемых устройств; ряд датчиков / сенсорных каналов; а также управляющая / измерительная электроника.Помимо фотоэлектрических приложений, система может быть применяется для твердотельного освещения, тестирования покрытий и барьеров, батарей и более.
• Материалы на основе микроскопии и характеристика устройств
  В исследовании перовскита также используется полный набор возможностей микроскопии (например, сканирующая зондовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и катодолюминесценция).Эти инструменты предоставляют структурную и электронную информацию о материалах, а также могут понимание электрических полей на уровне устройств с помощью фотоэлектрических систем на основе перовскита. (Видеть использование катодолюминесценции; низкоэнергетическая электронная микроскопия, электронная спектроскопия потерь энергии; in-situ просвечивающая электронная микроскопия и дифракция рентгеновских лучей; Зонд силовая микроскопия Кельвина.)
• Характеристики поверхности и интерфейса
  Критически важным для понимания перовскитных материалов и устройств являются их интерфейсы с традиционные электронные материалы.В наших усилиях по перовскиту используется комплексный набор инструментов для определения характеристик поверхности и границ раздела фаз, которые включают возможности науки о поверхности (например, электронная спектроскопия Оже, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, вторичная ионная масс-спектрометрия), а также пользовательские объекты Министерства энергетики. (См. Использование фотоэмиссионной спектроскопии / нестационарной спектроскопии поглощения, рентгеновской и ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии.)
• Солнечный имитатор с вольт-амперным напряжением
  • Внешняя квантовая эффективность и вспышка / отображение внешней квантовой эффективности
  • Спектрофотометр ультрафиолетового и видимого диапазонов
  • Профайлер
  • Микроскопы оптические
  • Угол контакта

Проектов

История финансируемых нами исследований перовскитов включает следующее:

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы под руководством лаборатории
ФГ 2014–2015 ФГ

Первый финансируемый NREL проект на основе перовскита, направленный на понимание фундаментальных характер конструкции устройства.Этот проект положил начало большей части нашей нынешней программы.

NEXT Gen III
FY 2015– FY 2018

Основное внимание уделялось разработке высокоэффективных многопереходных солнечных элементов на основе перовскита. Основные задачи включали разработку перовскитного материала с меньшей шириной запрещенной зоны и туннельных переходов. для последовательного соединения субэлементов.

Исследования и разработки под руководством лаборатории
FY 2015– FY 2016

В сотрудничестве с SLAC нашей целью было понимание кристаллографии высокого уровня дефекты и их отношение к работе устройства.

Годовой операционный план Инициативы директоров
2015 финансовый год

Первоначальные фонды были использованы для развития Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Многолетняя программа Национальной лаборатории SunShot, позволяющая проводить исследования до к подаче предложения.

Офис фундаментальных энергетических наук

Основная программа солнечной фотохимии интересуется фундаментальными аспектами солнечной энергии. фотопреобразование, включая экситонные эффекты, перенос заряда и перенос заряда между слоями.Перовскиты – лишь небольшая часть программы фундаментальных энергетических наук; тем не менее, опыт, накопленный в рамках программы, касающийся контакта углеродных нанотрубок слои, микроволновая проводимость и динамика носителей применяются к перовскитным системам.

Управление фундаментальных энергетических наук

Центр исследований материалов следующего поколения NREL, разработанное Design Energy Frontier Research Center изучил альтернативные бессвинцовые перовскитовые материалы и изучил электронные свойства, которые позволяют перовскиту галогенида свинца быть настолько эффективным.Центр Следующее поколение материалов по дизайну определило класс материалов, таких как BiI3, которые имитируют электронную структуру перовскита.

Компании, заинтересованные в опыте NREL, установили партнерские отношения с Персонал NREL помогает продвигать исследования компании к коммерциализации.

Завершенный в 2016 финансовом году, этот проект оказался чрезвычайно полезным для создания экспериментального условия для успешного просмотра этих материалов. Он также сообщил на уровне устройства работать с пониманием фундаментальных аспектов микроструктуры материала во время формирования.

Годовой производственный план
FY 2016– FY 2018

Этот проект финансируется Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии SuNLaMP. сосредоточены на понимании проблем с материалами, приложений и конфигураций устройств которые могут предотвратить или активировать перовскитные системы в приложениях для сбора энергии.

Тема 7
FY 2016

Цель заключалась в разработке новых высокостабильных перовскитных материалов методом осаждения из паровой фазы.

Подробная информация о трех дополнительных проектах, реализуемых в гибридном перовските Площадь солнечных элементов указана ниже.

Сверхвысокопроизводительный и недорогой поликристаллический галогенидный тонкопленочный перовскит для солнечных батарей Клетки

Мы разрабатываем тонкопленочные тандемные солнечные элементы с двойным переходом с использованием недорогих поликристаллических элементов. галогенидные перовскиты (например, Ch4Nh4PbI3) как для верхних, так и для нижних ячеек. Галогенидные перовскиты продемонстрировали исключительный прогресс в производительности фотоэлементов – с 3 до 3%.8% в 2009 г. до сертифицированных 22% в 2016 году. Примечательно, что такие высокоэффективные перовскитные солнечные элементы могут изготавливаться из поликристаллических материалов путем растворной обработки.

Мы хотим:

• Понимать основной материал (например, легирование и дефект) и свойства устройства, связанные с галогенировать перовскиты
• Изготовление высокоэффективных перовскитных (верхних и нижних) ячеек с одинарным переходом
• Продемонстрируйте сверхвысокую эффективность тандемных перовскитных солнечных элементов.

Наше внимание уделяется однопереходным ячейкам с использованием двух дополнительных методов (раствор и испарение), пытаясь понять физику допирования / дефекта и применяя туннельный переход или рекомбинационный слой для тандемных ячеек. На рисунке представлена ​​схема ячейки. архитектура, над которой мы работаем.

Сверхбыстрая динамика носителей заряда в металлогалогенных перовскитах

Мы подробно изучили сверхбыструю динамику возбужденных состояний, в том числе экситонов. и носители заряда и их статистика рекомбинации.

• Сверхмедленное охлаждение носителя
  NREL продемонстрировал, что при возбуждении светом высокой энергии происходит охлаждение носителя заряда. скорость в перовскитном материале замедляется в процессе охлаждения – замедленное охлаждение наблюдается в PbMAI ₃ намного медленнее, чем в традиционных неорганических полупроводниках и сопоставимых к дорогим, сконструированным многослойным структурам с квантовыми ямами, что делает этот материал возможный кандидат на солнечные элементы следующего поколения на горячих носителях, которые могут достигать очень высоких высокая эффективность преобразования мощности.
• Экситоны влияют на динамику оптического поглощения и рекомбинации
  Хотя экситоны нестабильны при комнатной температуре, кулоновское взаимодействие между электроны и дырки влияют на оптическое поглощение в этих материалах, увеличивая сила поглощения над GaAs и другими прототипами полупроводников. Мы также нашли что присутствие экситонов влияет на динамику рекомбинации.
• Очень медленная поверхностная рекомбинация
  Используя новый сверхбыстрый метод – нестационарную спектроскопию фотоотражения – мы обнаружили что даже на непассивированных поверхностях поверхностная рекомбинация в этих материалах происходит очень медленно, намного медленнее, чем поверхностная рекомбинация на других (непассивированных) полупроводниках.

Электронное выравнивание уровня энергии на углеродной нанотрубке / органическом металлогалогенном перовските Интерфейс

Печатные углеродные контакты могут быть реализованы в качестве транспортного слоя носителей заряда, альтернативного традиционным органическим или оксидным транспортным слоям.Мы демонстрируем, что устройства с углеродными нанотрубками, встроенными в полимерную матрицу, может обеспечить высокую эффективность и повышенная стабильность. Обработка углеродных нанотрубок совместима с подходами масштабирования. с помощью методов нанесения покрытий и печати. См. «Эффективное извлечение заряда и медленная рекомбинация в органо-неорганических перовскитах». Покрыта полупроводниковыми однослойными углеродными нанотрубками “для получения дополнительной информации.

• Количественная оценка энергетики границ раздела
  Мы используем фотоэмиссионную спектроскопию на тонких однослойных углеродных нанотрубках (ОСУНТ) слоев и чувствительности зондирующей поверхности для изучения электронного взаимодействия и химического изменения.Мы также отслеживаем изгиб полос в пленках иодида метиламина (MAPbI ₃ ) в зависимости от толщины верхнего слоя SWCNT.
• Электронная структура интерфейса
  Мы определяем структуру валентной зоны по ультрафиолетовым фотоэмиссионным спектрам. Одним из результатов является изгиб полосы в слое SWCNT с SWCNT n-типа на границе MAPbI ₃ / SWCNT к пленке SWCNT с небольшим p-типом, находящейся дальше от границы раздела.
• Химия интерфейса
  Мы используем рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию и не обнаружили изгиба полосы в MAPbI ₃ . Сдвиги на уровне ядра ОСУНТ отслеживают изгиб полос, наблюдаемый в спектрах валентной зоны.
• Перенос заряда в основном состоянии
  Мы обнаружили передачу электронов от метиламмония к SWCNT, так что SWCNT становится n-тип на интерфейсе после изгиба полосы в SWCNT до внутреннего состояния.Наложение SWCNT не вызывает изгиба полосы в пленке MAPbI ₃ , и нет барьера для сбора дырок на границе раздела, поэтому происходит быстрое и эффективное извлечение ствола скважины. Гибка ленты из SWCNT идеальна для челночных отверстий. к сотовому терминалу.
• Извлечение носителей заряда
  Мы используем спектроскопию нестационарного поглощения для отслеживания динамики носителей заряда и заметок быстрое извлечение носителей заряда.

Джо Берри

[email protected]
303-384-7611 .