Раскрытие потенциала перовскитов для солнечных элементов
Перовскиты — широкая категория соединений, которые имеют определенную кристаллическую структуру — привлекают большое внимание как потенциальные новые материалы для солнечных элементов из-за их низкой стоимости, гибкости и относительно легкого производственного процесса. Но многое остается неизвестным о деталях их структуры и эффектах замены различных металлов или других элементов в материале.
Обычные солнечные элементы, изготовленные из кремния, должны обрабатываться при температуре выше 1400 градусов по Цельсию с использованием дорогостоящего оборудования, которое ограничивает их потенциал для увеличения производства. Напротив, перовскиты можно обрабатывать в жидком растворе при температурах до 100 градусов, используя недорогое оборудование. Более того, перовскиты могут быть нанесены на различные подложки, в том числе гибкие пластмассы, что позволяет использовать множество новых применений, которые были бы невозможны при использовании более толстых и жестких кремниевых пластин.
Теперь исследователи смогли расшифровать ключевой аспект поведения перовскитов, приготовленных с использованием различных составов: с определенными добавками существует своего рода «сладкое пятно», когда большие количества улучшают рабочие характеристики и после которых другие количества начинают ухудшать их. Результаты подробно изложены на этой неделе в журнале Science , в статье бывшего постдока MIT Хуана-Пабло Корреа-Баэна, профессоров MIT Тонио Буонассизи и Мунги Бавенди, а также 18 других сотрудников MIT, Калифорнийского университета в Сан-Диего и других учреждений. ,
Перовскиты представляют собой семейство соединений, которые имеют трехчастную кристаллическую структуру. Каждая часть может быть изготовлена из любого количества различных элементов или соединений, что приводит к очень широкому диапазону возможных составов. Буонасси сравнивает разработку нового перовскита с заказом из меню, выбирая по одному (или более) из каждого из столбца A, столбца B и (по соглашению) столбца X. «Вы можете смешивать и сочетать», говорит он, но до сих пор все Вариации можно было изучить только методом проб и ошибок, поскольку у исследователей не было базового понимания того, что происходит в материале.
В предыдущем исследовании, проведенном группой из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны, в котором участвовал Корреа-Баэна, было установлено, что добавление некоторых щелочных металлов в смесь перовскита может повысить эффективность материала при преобразовании солнечной энергии в электричество, примерно с 19 процентов до около 22 процентов. Но в то время не было никакого объяснения этому улучшению, и никакого понимания того, что эти металлы делали внутри соединения. «Очень мало было известно о том, как микроструктура влияет на производительность», — говорит Буонасси.
Теперь детальное картирование с использованием синхротронного нано-рентгеновского измерения флуоресценции с высоким разрешением, которое может исследовать материал лучом, составляющим всего одну тысячную ширину волоса, выявило детали процесса с потенциальными подсказками того, как улучшить производительность материала еще дальше.
Оказывается, что добавление этих щелочных металлов, таких как цезий или рубидий, к соединению перовскита помогает некоторым другим составляющим смешиваться более плавно. Как описывает команда, эти добавки помогают «гомогенизировать» смесь, делая ее более легкой для проведения электричества и, таким образом, повышая ее эффективность в качестве солнечного элемента. Но они обнаружили, что это работает только до определенной точки. За пределами определенной концентрации эти добавленные металлы слипаются, образуя области, которые влияют на проводимость материала и частично противодействуют первоначальному преимуществу. Они обнаружили, что для любого конкретного состава этих комплексных соединений это самое приятное место, которое обеспечивает наилучшую эффективность.
«Это большое открытие», — говорит Корреа-Баэна, который в январе стал доцентом материаловедения и инженерии в Georgia Tech. После трех лет работы в MIT и с сотрудниками UCSD исследователи обнаружили, что «что происходит, когда вы добавляете эти щелочные металлы, и почему производительность улучшается». Они смогли непосредственно наблюдать изменения в составе материала и выявить, среди прочего, эти компенсирующие эффекты гомогенизации и комкования.
«Идея состоит в том, что, основываясь на этих выводах, мы теперь знаем, что должны искать подобные системы с точки зрения добавления щелочных металлов или других металлов» или изменения других частей рецепта, говорит Корреа-Баэна. Хотя перовскиты могут иметь значительные преимущества по сравнению с обычными кремниевыми солнечными элементами, особенно с точки зрения низкой стоимости создания заводов по их производству, им все еще требуется дополнительная работа для повышения общей эффективности и долговечности, которая значительно отстает от эффективности кремниевых элементов. ,
Хотя исследователи выяснили структурные изменения, которые происходят в материале перовскита при добавлении различных металлов, и связанные с этим изменения в производительности, «мы до сих пор не понимаем, что стоит за этим», говорит Корреа-Баэна. Это предмет постоянных исследований команды. По словам Корреа-Баэна, теоретическая максимальная эффективность этих перовскитных солнечных элементов составляет около 31 процента, а наилучшая на сегодняшний день производительность составляет около 23 процентов, поэтому остается значительный запас для потенциального улучшения.
Хотя перовскитам может потребоваться годы, чтобы полностью реализовать свой потенциал, по крайней мере, две компании уже находятся в процессе создания производственных линий, и они ожидают, что начнут продавать свои первые модули в течение следующего года или около того. Некоторые из них представляют собой маленькие, прозрачные и красочные солнечные элементы, предназначенные для встраивания в фасад здания. «Это уже происходит, — говорит Корреа-Баэна, — но еще есть над чем поработать, чтобы сделать их более долговечными».
По словам Буонассизи, после того, как будут решены вопросы крупномасштабной технологичности, эффективности и долговечности, перовскиты могут стать основным игроком в отрасли возобновляемой энергии. «Если им удастся создать устойчивые, высокоэффективные модули при сохранении низкой стоимости производства, это может изменить игру», — говорит он. «Это может позволить расширение солнечной энергии намного быстрее, чем мы видели».
