Улучшенная эффективность перовскитных солнечных батарей

Солнечные элементы, преобразующие солнечное излучение в электричество, играют ключевую роль в снижении выбросов парниковых газов. Несмотря на достижения кремниевых аналогов, ученые продолжают поиск более эффективных и доступных решений.

Перовскиты, материалы с особой кристаллической структурой, демонстрируют высокий потенциал для создания недорогих и энергоэффективных солнечных технологий. Особый интерес вызывают инвертированные перовскитные солнечные элементы, отличающиеся обратным порядком слоев для извлечения заряда по сравнению с традиционными конструкциями. Такие элементы потенциально более стабильны и проще в крупномасштабном производстве.

Однако многие существующие инвертированные элементы показывают низкую энергоэффективность из-за неконтролируемого роста кристаллических зерен, что приводит к дефектам и ухудшает транспорт зарядов, генерируемых солнечным светом.

Исследователи из Университета науки и технологий Хуачжун разработали новую стратегию молекулярной инженерии для контроля кристаллизации перовскитов в инвертированных солнечных элементах. Этот подход, описанный в журнале Nature Energy, включает добавление специальных нафталинсодержащих молекул в перовскитный материал, что способствует его более равномерному росту.

"Формамидиниевые и цезиевые галогенидные перовскиты обеспечивают высокую эффективность в инвертированных солнечных элементах, но неконтролируемая кристаллизация ограничивает их производительность", – отмечают Циcень Чжоу, Гуою Хуан и их коллеги. "Мы регулируем нуклеацию и рост перовскита посредством ароматических взаимодействий между солями нафталин-аммония и нафталинсульфонатами".

По сути, исследователи вводили нафталинсодержащие молекулы в раствор перовскита для управления формированием и ростом кристаллов. Было обнаружено, что полученные пленки перовскита обладают высокой однородностью и минимальным количеством дефектов, что крайне важно для инвертированных солнечных элементов.

"Аммониевые группы солей нафталин-аммония занимают позицию формамидиния, в то время как сульфонатные группы нафталинсульфонатов координируются с ионами свинца", – поясняют авторы. "Их нафталиновые фрагменты образуют плотное ароматическое стекирование рядом с [PbI6]4− октаэдрами. Эти взаимодействия способствуют упорядоченной кристаллизации вне плоскости вдоль плоскости (100), улучшая пассивацию дефектов и транспорт носителей заряда".

Используя полученные однородные пленки перовскита, Чжоу, Хуан и их коллеги изготовили инвертированные перовскитные солнечные элементы. Тестирование показало высокую производительность, эффективность и стабильность этих элементов при непрерывном освещении.

"Мы достигли коэффициента преобразования мощности 27.02% (сертифицировано 26.88%) для инвертированных солнечных элементов", – сообщают исследователи. "Инкапсулированные устройства сохраняют 98.2% первоначальной эффективности после 2000 часов работы при максимальной точке мощности под постоянным освещением в атмосферном воздухе. Кроме того, мы продемонстрировали сертифицированную стабильную эффективность 23.18% для инвертированных мини-модулей с площадью апертуры 11.09 см2 и сертифицированную эффективность 29.07% для полностью перовскитных тандемных солнечных элементов".

Полученные результаты весьма обнадеживают и подчеркивают перспективность разработанного метода молекулярной инженерии для создания энергоэффективных инвертированных перовскитных солнечных элементов. В будущем эта стратегия может быть усовершенствована для дальнейшего повышения эффективности и создания высококачественных перовскитных пленок с различными составами.