Улучшенная стабильность перовскит-кремниевых солнечных элементов

Солнечные панели на основе кремния, широко используемые по всему миру, приближаются к своим предельным показателям эффективности. Исследователи активно работают над объединением кремния с перспективным материалом — перовскитом, чтобы улавливать больше солнечного света и генерировать больше электроэнергии на той же площади.

Гибридные устройства, известные как перовскит-кремниевые тандемные солнечные элементы, уже демонстрируют рекордную эффективность почти в 35%. Однако их долгосрочная стабильность остается серьезным препятствием для широкого внедрения.

Команда исследователей из Национального университета Сингапура (NUS) разработала метод повышения долговечности этих тандемных солнечных элементов, в том числе при высоких температурах. Они обнаружили, что тонкий молекулярный слой, соединяющий перовскитовый и кремниевый слои, склонен к деградации под воздействием тепла, что со временем приводит к снижению производительности.

Основываясь на этом открытии, ученые создали новую, термостойкую версию молекулярного слоя. Эта модификация обеспечивает более прочное соединение слоев, позволяя элементам сохранять почти всю свою первоначальную эффективность даже после 1200 часов непрерывной работы при температуре 65 °C. Долгосрочная стабильность имеет решающее значение для коммерческой жизнеспособности, учитывая, что большинство современных кремниевых солнечных панелей имеют гарантию 20-25 лет. Соответствие этой надежности стало одной из самых сложных задач для тандемных ячеек нового поколения.

«Перовскит-кремниевые тандемные элементы способны производить больше электроэнергии, чем традиционные панели, но для коммерческой выгоды они должны оставаться стабильными в реальных условиях», — отметил доцент Парк Сомин из Департамента химии Факультета естественных наук NUS, руководивший исследованием. «Мы сосредоточились на усилении самого слабого звена — ультратонкого молекулярного слоя между двумя материалами».

Полученные результаты опубликованы в журнале Science.

Только так силен, как самое слабое звено

Предыдущие исследования в основном связывали потерю производительности с самим перовскитом. Однако исследователи NUS выявили, что истинной причиной является ультратонкий контактный слой, связывающий перовскит с кремнием. Сначала ученые воссоздали высокоэффективные тандемные солнечные элементы, описанные в литературе, и протестировали их производительность под воздействием постоянного света и тепла.

Они обнаружили, что, хотя сам перовскит оставался стабильным, тонкий слой переноса дырок, отвечающий за перемещение электрического заряда между слоями, начал выходить из строя. Этот слой, известный как самособирающийся монослой (SAM), постепенно терял свою упорядоченную структуру при нагревании, нарушая поток тока через устройство.

«Обычные SAM действуют как молекулярный ковер, облегчающий перемещение зарядов», — пояснил доцент Вэй Минъян, соавтор исследования из Департамента материаловедения и инженерии Колледжа дизайна и инженерии NUS. «Когда они слишком нагреваются, волокна начинают скручиваться, оставляя зазоры, которые блокируют поток электричества».

Для решения этой проблемы команда разработала новую, улучшенную версию SAM, которая могла «запираться» сама с собой, образуя более прочную сеть. Молекулы формируют крошечные химические связи друг с другом в процессе сборки, создавая плотно связанный слой, устойчивый к теплу и сохраняющий свою структуру во время работы. Этот сшитый молекулярный контакт улучшил интерфейс между слоями и помог всему солнечному элементу со временем сохранять высокую эффективность.

Реализация в реальном мире

С новым сшитым слоем перовскит-кремниевые тандемные элементы NUS достигли эффективности выше 34%, включая сертифицированный показатель в 33,6% от независимого испытательного центра. Сертификация важна, поскольку она подтверждает, что результаты были измерены независимо в стандартизированных условиях, давая исследователям и отраслевым партнерам уверенность в воспроизводимости заявленной производительности.

Важно отметить, что тандемные элементы сохранили более 96% своей первоначальной производительности после 1200 часов непрерывного освещения при 65 °C — уровень долговечности, редко встречающийся в солнечных элементах на основе перовскитов.

«Выявление первопричины деградации производительности — SAM, а затем ее усиление, является прорывом, необходимым для повышения стабильности этих солнечных элементов», — добавляет доцент Парк. «Это элегантно простой, но эффективный способ сделать эти высокоэффективные элементы более надежными без усложнения производства».

Результаты команды — значительный шаг к практическим, готовым к полевым испытаниям перовскит-кремниевым солнечным панелям, которые могли бы генерировать больше энергии с той же площади крыши или солнечной фермы.

«Наша работа помогает сократить разрыв между лабораторной производительностью и надежностью в реальном мире», — сказал доцент Вэй. «Наша следующая цель — протестировать эти прототипы в реальных тропических условиях и масштабировать их до размеров модулей, пригодных для развертывания. Тестирование в жарком и влажном климате Сингапура будет особенно полезным, поскольку такие условия ускоряют деградацию материалов и обеспечивают строгую проверку долговечности».