За последнее десятилетие перовскиты быстро превратились в многообещающую технологию, теперь способную преобразовывать около 23 процентов солнечного света в электричество, но все еще требуется работа, чтобы сделать устройства достаточно прочными для длительного использования. Неинкапсулированный солнечный элемент NREL — элемент, используемый для тестирования, который не имеет защитного барьера, такого как стекло, между проводящими частями элемента и элементами — сохранил 94% своей пусковой эффективности после 1000 часов непрерывного использования в условиях окружающей среды. к исследованию, опубликованному в Nature Energy.«Во время тестирования мы намеренно нагружаем элементы несколько сильнее, чем в реальных приложениях, чтобы ускорить старение», — сказал Джозеф Лютер, который вместе с Джозефом Берри руководил работой под названием «Индивидуальные интерфейсы неинкапсулированных перовскитных солнечных элементов для> 1000 Часы операционной стабильности ». «Солнечные элементы в полевых условиях, как правило, работают только тогда, когда не светит солнце.
В этом случае даже после 1000 часов непрерывных испытаний элемент был способен генерировать энергию все время».Хотя необходимы дополнительные испытания, чтобы доказать, что элементы могут прожить 20 или более лет в полевых условиях (типичный срок службы солнечных панелей), это исследование представляет собой важный ориентир для определения того, что перовскитные солнечные элементы более стабильны, чем считалось ранее.Типичная конструкция перовскитного солнечного элемента включает перовскит между материалом для переноса дырок, тонкой пленкой органической молекулы, называемой спиро-OMeTAD, легированной ионами лития, и слоем переноса электронов из диоксида титана или TiO2. Эффективность этого типа солнечных элементов падает почти сразу на 20 процентов, а затем неуклонно снижается по мере того, как он становится более нестабильным.
«Что мы пытаемся сделать, так это устранить самые слабые звенья в солнечной батарее», — сказал Лютер. Исследователи предположили, что замена слоя спиро-OMeTAD может остановить первоначальное падение эффективности в клетке.
Ионы лития в пленке спиро-OMeTAD неконтролируемо перемещаются по всему устройству и поглощают воду. Свободное движение ионов и присутствие воды вызывают разрушение клеток. Новая молекула, получившая название EH44 и разработанная Аланом Селлингером из Колорадской горной школы, была заменена спиро-OMeTAD, поскольку она отталкивает воду и не содержит лития. «Эти два преимущества заставили нас поверить, что этот материал будет лучшей заменой», — сказал Лютер.Использование EH44 в качестве верхнего слоя разрешило более позднюю более постепенную деградацию, но не решило начальных быстрых снижений, которые наблюдались в эффективности ячейки.
Исследователи попробовали другой подход, на этот раз заменив нижний слой TiO2 в ячейке слоем с оксидом олова (SnO2). При наличии как EH44, так и SnO2, а также стабильной замены перовскитного материала и металлических электродов эффективность солнечного элемента оставалась стабильной.
Эксперимент показал, что новый слой SnO2 решил проблемы химического состава, наблюдаемые в перовскитном слое при нанесении на исходную пленку TiO2.«Это исследование показывает, как сделать устройства более стабильными», — сказал Лютер. «Это показывает нам, что каждый из слоев в ячейке может играть важную роль в деградации, а не только активный слой перовскита».
Финансирование исследования было предоставлено Управлением технологий солнечной энергии Министерства энергетики США.