Перовскиты – целая группа материалов со схожей кристаллической структурой, способных составить конкуренцию традиционным кремниевым солнечным панелям благодаря гибкости, низкой стоимости пленок и относительной простоте производственного процесса. Однако до сих пор некоторые особенности структуры и потенциальный эффект замены в таких солнечных элементах одних металлов другими оставались невыясненными.

Производственный процесс изготовления кремниевых солнечных панелей требует высокотемпературного режима (1400° С) и сложного оборудования, тогда как перовскитовые пленки производятся при температуре всего в 100° С. Оборудование для их изготовления стоит недорого, кроме того, состав на основе перовскита можно наносить на разные поверхности, что значительно расширяет сферу применения этого фотоэлектрического элемента.

Ученым MIT удалось расшифровать ключевой аспект поведения перовскита в зависимости от того, какие компоненты составляют его формулу. Для перовскита объективно существует понятие золотой середины: до определенного момента некоторые добавки повышают производительность фотоэлемента, но при превышении порогового значения разрушают его.

Для всех перовскитов характерна трехчастная кристаллическая структура, где каждая часть может состоять из любого из допустимых элементов – такая особенность и определяет широкую вариативность компонентов перовскитных фотоячеек. Это можно сравнить с меню в ресторане, где комплексный обед состоит из первого блюда категории А, второго из категории В и десерта из категории С, каждое из которых можно комбинировать в любом сочетании.

До сих пор такие «наборы» элементов перовскита комплектовались методом проб и ошибок. Например, было выяснено, что добавление щелочного металла в перовскит увеличивает конверсию света в электричество с 19% до 22%, но не было понимания, как именно этот металл взаимодействует с остальными элементами структуры.

Ученые MIT исследовали перовскиты с помощью высокочастотной синхротронной нано-рентгенолюминисценции, просвечивая материал лучами шириной в одну тысячную толщины человеческого волоса. Так они выяснили, что щелочные металлы, например, цезий и рубидий помогают остальным компонентам взаимодействовать более слаженно за счет своеобразной гомогенизации структуры. Поток электронов проходит через материал легче, и производительность перовскитовой пленки повышается. Однако этот эффект наблюдается лишь до определенной концентрации щелочного металла, иначе его молекулы перегруппировываются, образуя сгустки, и это нарушает проводимость перовскита.

Хотя исследователи выявили структурные изменения, которые происходят в перовскитовых ячейках при добавлении различных металлов, и связанные с этим изменения в производительности, полностью понять их природу пока не удалось. Теперь это предмет продолжающихся исследований команды. По словам ученых, теоретическая максимальная эффективность таких перовскитных солнечных элементов составляет около 31 процента, а наилучший известный результат на сегодняшний день – около 23 процентов, поэтому остается огромный запас для потенциального улучшения.

До выхода на рынок коммерческих перовскитных солнечных батарей с подобной эффективностью может пройти еще много времени. Но по крайней мере, две компании уже сейчас создают производственные линии, и ожидается, что продажи первых модулей начнутся в течение следующего года или двух. Например, Saule Technologies будет выпускать небольшие прозрачные солнечные элементы из перовскита, предназначенные для покрытия фасадов и других поверхностей зданий.

Источник: newsdiscover.net