Теперь группа исследователей из Университета Брауна и Университета Небраски — Линкольн (UNL) разработала новый материал на основе титана для создания бессвинцовых неорганических перовскитных солнечных элементов. В статье, опубликованной в журнале Joule (новом родственном журнале Cell, ориентированном на энергию), исследователи показывают, что этот материал может быть хорошим кандидатом, особенно для изготовления тандемных солнечных элементов — схем, в которых перовскитные элементы размещаются сверху. кремния или другого известного материала для повышения общей эффективности.«Титан — это обильный, прочный и биосовместимый элемент, который до сих пор в значительной степени игнорировался при исследованиях перовскита», — сказал старший автор новой статьи Нитин Падтуре, профессор инженерной школы Брауна и директор Университета Отиса Э. Рэндалла. Института молекулярных и наномасштабных инноваций. «Мы показали, что можно использовать материал на основе титана для изготовления тонкопленочных перовскитов, и что этот материал имеет благоприятные свойства для солнечных батарей, которые можно настраивать».
Интерес к перовскитам, классу материалов с особой кристаллической структурой, для получения чистой энергии возник в 2009 году, когда было показано, что они способны преобразовывать солнечный свет в электричество. Первые перовскитные солнечные элементы имели коэффициент преобразования всего около 4 процентов, но он быстро вырос до почти 23 процентов, что составляет конкуренцию традиционным кремниевым элементам. И у перовскитов есть несколько интересных преимуществ. Их производство потенциально дешевле, чем изготовление кремниевых элементов, и они могут быть частично прозрачными, что позволяет использовать новые технологии, такие как окна, вырабатывающие электричество.
«Одним из основных направлений исследований перовскита является отказ от материалов на основе свинца и поиск новых материалов, которые не являются токсичными и более стабильными», — сказал Падчер. «Используя компьютерное моделирование, наши сотрудники-теоретики из UNL предсказали, что класс перовскитов с цезием, титаном и галогеновым компонентом (бром и / или йод) является хорошим кандидатом. Следующим шагом было создание солнечного элемента с использованием этого материала и проверить его свойства, и вот что мы здесь сделали ».Команда создала полупрозрачные перовскитные пленки с шириной запрещенной зоны — показателем уровня энергии фотонов, которые материал может поглотить — 1,8 электрон-вольт, что считается идеальным для тандемных солнечных батарей.
По словам исследователей, этот материал имел эффективность преобразования 3,3 процента, что намного ниже, чем у свинцовых элементов, но это хорошее начало для совершенно нового материала.«Есть много инженерных решений, которые помогут повысить эффективность», — говорит Юаньюань Чжоу, доцент (исследования) инженерных наук в Brown и соавтор исследования. «Мы думаем, что этому материалу еще есть над чем работать».Мин Чен, доктор философии.
Студент факультета материаловедения Брауна и первый автор статьи использовал метод высокотемпературного испарения для изготовления пленок, но говорит, что команда изучает альтернативные методы. «Мы также ищем новые низкотемпературные методы на основе растворителей, чтобы снизить потенциальную стоимость изготовления элементов», — сказал он.Исследование показало, что этот материал имеет ряд преимуществ перед другими альтернативами бессвинцовому перовскиту. Одним из претендентов на бессвинцовый перовскит является материал, в основном изготовленный из олова, который легко ржавеет при воздействии окружающей среды.
Титан устойчив к ржавчине. Титан-перовскит также имеет напряжение холостого хода — мера полного напряжения, доступного от солнечного элемента, — более одного вольт.
Другие бессвинцовые перовскиты обычно производят напряжение ниже 0,6 В.«Напряжение холостого хода — ключевое свойство, которое мы можем использовать для оценки потенциала материала солнечных элементов», — сказал Падтюр. «Таким образом, наличие такой высокой стоимости с самого начала очень многообещающе».Исследователи говорят, что относительно большая запрещенная зона материала по сравнению с кремнием делает его главным кандидатом на роль верхнего слоя в тандемном солнечном элементе.
Верхний слой титан-перовскита будет поглощать фотоны с более высокой энергией от солнца, которые нижний слой кремния не может поглотить из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Между тем фотоны с более низкой энергией будут проходить через полупрозрачный верхний слой и поглощаться кремнием, тем самым увеличивая общую поглощающую способность элемента.«Когда дело доходит до перовскитов, тандемные клетки — это низко висящий фрукт», — сказал Падчер. «Мы пока не стремимся заменить существующую кремниевую технологию, но вместо этого мы стремимся ее улучшить. Так что, если вы можете сделать стабильную тандемную ячейку без свинца, то это победитель.
Этот новый материал выглядит как хороший кандидат ".Другими соавторами статьи были Мин-Ган Цзюй, Александр Карл, Инся Цзун, Рональд Гримм, Цзяцзюнь Гу и Сяо Ченг Цзэн.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом (OIA-1538893, DMR-1420645).