Международная группа исследователей во главе с Кембриджским университетом обнаружила, что добавление йодида калия «лечит» дефекты и движение иммобилизованных ионов, которые на сегодняшний день ограничивают эффективность дешевых перовскитных солнечных элементов. Эти солнечные элементы нового поколения можно использовать в качестве слоя повышения эффективности поверх существующих кремниевых солнечных элементов или превратить в автономные солнечные элементы или цветные светодиоды. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Солнечные элементы в исследовании основаны на металлогалогенных перовскитах — многообещающей группе ионных полупроводниковых материалов, которые всего за несколько коротких лет разработки теперь конкурируют с коммерческими тонкопленочными фотоэлектрическими технологиями с точки зрения их эффективности в преобразовании солнечного света в электричество. Перовскиты дешевы и легко производятся при низких температурах, что делает их привлекательными для солнечных элементов и освещения следующего поколения.Несмотря на потенциал перовскитов, некоторые ограничения снизили их эффективность и стабильность. Крошечные дефекты в кристаллической структуре перовскитов, называемые ловушками, могут вызывать «застревание» электронов до того, как их энергия будет использована.
Чем легче электроны могут перемещаться в материале солнечного элемента, тем эффективнее этот материал будет преобразовывать фотоны, частицы света, в электричество. Другая проблема заключается в том, что ионы могут перемещаться в солнечном элементе при освещении, что может вызвать изменение ширины запрещенной зоны — цвета света, который поглощает материал.
«До сих пор мы не смогли сделать эти материалы стабильными с необходимой нам шириной запрещенной зоны, поэтому мы пытались иммобилизовать движение ионов, изменяя химический состав слоев перовскита», — сказал д-р Сэм Странкс из Кэвендишского отделения Кэмбриджа. Лаборатория, руководившая исследованиями. «Это позволит использовать перовскиты в качестве универсальных солнечных элементов или цветных светодиодов, которые, по сути, представляют собой солнечные элементы, работающие в обратном направлении».В ходе исследования исследователи изменили химический состав слоев перовскита, добавив йодид калия в чернила перовскита, которые затем самостоятельно собираются в тонкие пленки.
Этот метод совместим с процессами производства рулонов, а это означает, что он масштабируемый и недорогой. Иодид калия образовывал «декоративный» слой поверх перовскита, который имел эффект «исцеления» ловушек, чтобы электроны могли двигаться более свободно, а также иммобилизовал движение ионов, что делало материал более стабильным при желании. запрещенная зона.
Исследователи продемонстрировали многообещающие характеристики с шириной запрещенной зоны перовскита, идеально подходящей для наслоения поверх кремниевого солнечного элемента или с другим слоем перовскита — так называемыми тандемными солнечными элементами. Кремниевые тандемные солнечные элементы, скорее всего, являются первым широко распространенным применением перовскитов. Добавив слой перовскита, можно более эффективно улавливать свет из более широкого диапазона солнечного спектра.
«Калий стабилизирует запрещенную зону перовскита, которую мы хотим использовать для тандемных солнечных элементов, и делает их более люминесцентными, что означает более эффективные солнечные элементы», — сказал Стрэнкс, исследования которого финансируются Европейским союзом и программой Horizon 2020 Европейского исследовательского совета. «Он почти полностью управляет ионами и дефектами в перовскитах».«Мы обнаружили, что перовскиты очень толерантны к добавкам — вы можете добавлять новые компоненты, и они будут работать лучше», — сказал первый автор Моджтаба Абди-Джалеби, кандидат наук из лаборатории Кавендиша, финансируемой Nava Technology Limited. «В отличие от других фотоэлектрических технологий, нам не нужно добавлять дополнительный слой для повышения производительности, добавка просто смешивается с перовскитными чернилами».
Устройства на основе перовскита и калия показали хорошую стабильность в ходе испытаний и показали эффективность преобразования света в электричество на 21,5%, что аналогично лучшим солнечным элементам на основе перовскита и не намного ниже практического предела эффективности солнечных элементов на основе кремния, который составляет (29%). Тандемные элементы, изготовленные из двух слоев перовскита с идеальной шириной запрещенной зоны, имеют теоретический предел эффективности 45% и практический предел 35% — оба значения выше, чем текущие практические пределы эффективности для кремния. «Вы получаете больше мощности за свои деньги», — сказал Стрэнкс.