Обзор потенциала сочетания кремниевых солнечных элементов с перовскитными материалами показывает, как можно расширить эту технологию. Кредит: 2024 КАУСТ; Хено Хван
В 2009 году исследователи продемонстрировали, что солнечные элементы, изготовленные из перовскитов, в частности бромида метиламмоний-свинца и йодида метиламмония-свинца, обладают превосходными светопоглощающими способностями. Эти материалы, известные как перовскиты галогенида свинца или просто перовскиты, положили начало новому пути в фотоэлектрических исследованиях. Хотя первоначальная эффективность перовскитных солнечных элементов была относительно низкой, она заложила основу для будущих достижений в этой области.
Сегодня ясно, что будущие солнечные элементы, вероятно, будут включать эти перовскиты в сочетании с традиционным кремнием. Эркан Айдын, Стефан Де Вольф и команда из KAUST рассмотрели, как эта тандемная технология может выйти за пределы лаборатории и масштабироваться для коммерческого производства.
Ажиотаж вокруг перовскитов вызван тем, что они могут создаваться при низких температурах и легко наносятся на большинство поверхностей, в том числе гибких, что делает их легче, адаптируемее и потенциально дешевле, чем кремниевые солнечные панели.
Преимущества тандемных ячеек
«И перовскитные, и кремниевые солнечные элементы доказали свою высокую эффективность; однако использование их обоих в тандеме в одной ячейке позволяет лучше использовать солнечный свет за счет минимизации потерь, которые не преобразуются в электрический заряд», — говорит Айдын.
Айдын и его соавторы наметили разработки в области производства тандемных солнечных элементов, которые позволяют увеличить размер и эффективность преобразования энергии. Но они подчеркивают, что необходимы другие подходы, чтобы сделать их коммерчески жизнеспособными.
Проблемы в расширении масштабов
Например, одна из проблем заключается в том, что топография поверхности кремния влияет на осаждение перовскита. На сегодняшний день в наиболее эффективных лабораторных устройствах используется центрифугирование чернил-предшественников перовскита в сочетании с обработкой антирастворителем. Однако этот подход не подходит для коммерческой переработки, поскольку его трудно масштабировать и тратится много материала. Айдын и соавторы обсуждают плюсы и минусы альтернативных подходов, таких как нанесение щелевого покрытия и физическое осаждение из паровой фазы.
Еще одно соображение заключается в том, что влага и тепло, а также их сочетание со светом ускоряют деградацию субэлементов перовскита. Авторы подробно описывают различные испытания тандемных солнечных элементов из перовскита и кремния на ускоренное старение и в реальных условиях окружающей среды и подчеркивают необходимость целенаправленных усилий в этом направлении. Это помогает прогнозировать надежность и срок службы перовскитно-кремниевых модулей в различных суровых условиях.
«Я думаю, что самой большой проблемой является повышение надежности перовскитовых элементов», — говорит Айдын. «Исследовательская деятельность, которую мы проводили до сих пор, показала, что мы еще не достигли какого-либо фундаментального предела, поэтому нам нужны более сконцентрированные усилия для создания долгосрочных стабильных устройств».
Тандемные модули для проверки концепции уже представлены. Однако, учитывая значительные практические проблемы, до сих пор неясно, когда тандемы перовскит/кремний достигнут рыночного уровня. Однако успех в разработке эффективных коммерческих солнечных элементов жизненно важен для удовлетворения растущего спроса на энергию при одновременном снижении воздействия на окружающую среду.
Ссылка: «Пути к коммерческой тандемной фотоэлектрической энергии перовскит/кремний» Эркана Айдина, Томаса Дж. Аллена, Мишель Де Бастиани, Арсалана Раззака, Луджиа Сюй, Эсмы Угур, Цзян Лю и Стефана Де Вольфа, 12 января 2024 г., Наука.
DOI: 10.1126/science.adh3849.