Повышение эффективности солнечных батарей: новый подход

Команда исследователей разработала технологию, которая значительно повышает эффективность экологически чистых солнечных элементов за счет простого контроля температуры. Было установлено, что быстрое повышение температуры во время термической обработки материалов способствует более упорядоченному росту кристаллов и более плавному транспорту зарядов. Результаты исследования опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Селенид сурьмы (Sb₂Se₃) — это экологически чистый материал для солнечных элементов нового поколения, состоящий исключительно из сурьмы (Sb) и селена (Se), оба из которых обильно представлены на Земле. Этот материал не содержит вредных элементов, таких как кадмий (Cd) и свинец (Pb). Он привлек значительное внимание как надежный и экологичный энергетический материал, способный к низкозатратному крупномасштабному производству благодаря сильному светопоглощению и превосходной термической и химической стабильности.

Однако традиционные устройства на основе Sb₂Se₃ страдают от снижения эффективности из-за случайной ориентации кристаллов и структурных дефектов, которые препятствуют транспорту электронов и дырок. Исследовательская группа обнаружила ключ к решению этой проблемы в скорости роста кристаллов, а именно, в скорости нагрева в процессе изготовления солнечных элементов. Они выяснили, что более высокая скорость нагрева способствует равномерному выравниванию кристаллов и уменьшает количество дефектов, обеспечивая плавный транспорт зарядов и существенное повышение эффективности. Это открытие показало, что даже простое управление температурой может изменять кристаллическую структуру и свойства транспорта зарядов, тем самым фундаментально улучшая характеристики устройства.

Исследовательская группа провела детальное изучение характеристик дефектов с использованием различных аналитических методов, включая сканирующую электронную микроскопию (SEM), рентгеновскую дифракцию (XRD), ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (UPS), адмиттансную спектроскопию и STEM-EDS. Результаты показали, что постепенное повышение температуры приводило к росту кристаллов в случайных ориентациях, что создавало больше дефектов и затрудняло транспорт зарядов.

В отличие от этого, более быстрый процесс нагрева привел к образованию равномерно ориентированных кристаллов, что обеспечило более плавный поток электронов и повышенную эффективность. Эти результаты экспериментально демонстрируют, что увеличение скорости роста кристаллов может уменьшить дефекты и облегчить транспорт электронов.

Исследовательскую группу возглавляли ведущие исследователи Дэ-Хван Ким и Ки-Джеонг Янг из Отдела энергетических и экологических технологий DGIST в сотрудничестве с командой профессора Джунхо Кима из Национального университета Инчхона. Янг отметил: «Это исследование дает ключ к решению одного из основных ограничений солнечных элементов из селенида сурьмы, а именно проблем ориентации кристаллов и структурных дефектов. Просто контролируя скорость роста кристаллов на ранней стадии производственного процесса, мы можем максимально раскрыть потенциал материала. Ожидается, что это внесет большой вклад в будущую коммерциализацию и разработку крупномасштабных модулей».