Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных элементов до уровня, близкого к рыночным стандартам

Солнечная энергия — это не только самая быстрорастущая энергетическая технология в новейшей истории, но также один из самых дешевых источников энергии и наиболее эффективный с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов.

Исследование Университета Райса появилось на обложке журнала Наука описывает способ синтеза формамидиния иодида свинца (FAPbI₃) — тип кристалла, который в настоящее время используется для изготовления самых эффективных перовскитных солнечных элементов — в ультрастабильные, высококачественные фотоэлектрические пленки. Общая эффективность полученного FAPbI₃Количество солнечных элементов уменьшилось менее чем на 3% за более чем 1000 часов работы при температуре 85 градусов по Цельсию (185 по Фаренгейту).

«На данный момент мы считаем, что это самый современный вариант с точки зрения стабильности», — сказал инженер Райса Адитья Мохите, чья лаборатория за последние несколько лет добилась постепенного улучшения долговечности и производительности перовскитов. «Солнечные элементы из перовскита обладают потенциалом совершить революцию в производстве энергии, но достижение долгосрочной стабильности было серьезной проблемой».

Благодаря этому последнему прорыву Мохайт и его коллеги достигли критической вехи на пути к выводу на рынок перовскитных фотоэлектрических элементов. Ключевым моментом была «приправа» ФАПбИ₃раствор-прекурсор с добавлением специально разработанных двумерных (2D) перовскитов. Они служили шаблоном, направляющим рост объемного/3D перовскита, обеспечивая дополнительное сжатие и стабильность структуры кристаллической решетки.

«Кристаллы перовскита разрушаются двумя способами: химически — разрушая молекулы, из которых состоит кристалл, — и структурно — переупорядочивая молекулы, чтобы сформировать другой кристалл», — сказал Айзек Меткалф, аспирант Райс в области материаловедения и наноинженерии и ведущий автор исследования. изучение.

«Из различных кристаллов, которые мы используем в солнечных элементах, наиболее химически стабильные являются также и наименее структурно стабильными, и наоборот. FAPbI ₃ находится на структурно нестабильном конце этого спектра».

Хотя более стабилен, чем FAPbI₃Как химически, так и структурно 2D-перовскиты обычно не очень хорошо поглощают свет, что делает их плохим выбором материала для солнечных элементов.

Однако исследователи предположили, что 2D-перовскиты используются в качестве шаблонов для выращивания FAPbI. ₃ фильмы могут придать последним свою стабильность. Чтобы проверить эту идею, они разработали четыре различных типа 2D-перовскитов — два со структурой поверхности, практически неотличимой от структуры FAPbI. ₃ и два менее подходящих друг к другу — и использовал их для создания разных FAPbI.₃формулировки фильмов.

«Добавление хорошо подобранных 2D-кристаллов облегчило задачу FAPbI. ₃ кристаллов, в то время как плохо подобранные 2D-кристаллы на самом деле затрудняют формирование, подтверждая нашу гипотезу», — сказал Меткалф.

«ФАПбИ ₃ Пленки, изготовленные по шаблону из 2D-кристаллов, были более высокого качества, демонстрировали меньший внутренний беспорядок и более сильную реакцию на освещение, что приводило к более высокой эффективности».

2D-кристаллические шаблоны повысили не только эффективность FAPbI. ₃ солнечные элементы, но и их долговечность. В то время как солнечные элементы без каких-либо 2D-кристаллов значительно деградировали после двух дней выработки электроэнергии из солнечного света в воздухе, солнечные элементы с 2D-матрицами не начали деградировать даже через 20 дней. Добавление инкапсуляционного слоя к солнечным элементам с 2D-шаблоном позволило еще больше повысить стабильность до сроков, приближающихся к коммерческой значимости.

Эти результаты могут оказать преобразующее влияние на светособирающие или фотоэлектрические технологии, еще больше снизив производственные затраты и позволяя создавать солнечные панели с упрощенной структурой, которые легче по весу и более гибки, чем их аналоги на основе кремния.

«Перовскиты растворимы в растворе, поэтому вы можете взять чернила из предшественника перовскита и нанести их на кусок стекла, затем нагреть, и вы получите поглотительный слой для солнечного элемента», — сказал Меткалф.

«Поскольку вам не нужны очень высокие температуры — пленки из перовскита можно обрабатывать при температуре ниже 150 по Цельсию (302 по Фаренгейту) — теоретически это также означает, что солнечные панели из перовскита могут быть изготовлены на пластиковых или даже гибких подложках, что может еще больше снизить затраты». .»

Хотя кремний является наиболее широко используемым полупроводником в фотоэлектрических элементах, его производственные процессы являются более ресурсоемкими, чем у новых альтернатив. Среди них галогенидные перовскиты выделяются своей стремительной эффективностью, которая выросла с 3,9% в 2009 году до более 26% в настоящее время.

«Изготовление высококачественных солнечных панелей из перовскита должно быть намного дешевле и менее энергоемким по сравнению с высококачественными кремниевыми панелями, потому что обработка намного проще», — сказал Меткалф.

«Нам необходимо срочно перевести нашу глобальную энергетическую систему на альтернативу без выбросов», — добавил он, указав на оценки Межправительственной группы ООН по изменению климата, которые «убедительно доказывают, что солнечная энергия является альтернативой ископаемому топливу».

Мохите подчеркнул, что достижения в области технологий и инфраструктуры солнечной энергии имеют решающее значение для достижения цели по выбросам парниковых газов к 2030 году и предотвращения повышения глобальной температуры на 1,5 градуса Цельсия, что «затем направит нас на правильный курс для достижения чистых нулевых выбросов углерода к 2050 году». «

«Если солнечное электричество не появится, не произойдет ни один из других процессов, в которых используются зеленые электроны из сети, таких как термохимические или электрохимические процессы в химическом производстве», — сказал Мохит. «Фотовольтаика абсолютно необходима».

Мохайт — профессор-попечитель Райса Уильяма М. Райса, профессор химической и биомолекулярной инженерии и директор факультета Инициативы рисовой инженерии по энергетическому переходу и устойчивому развитию. Помимо Меткалфа, ведущим автором исследования является Сирадж Сидхик, выпускник докторантуры Райса.

«Я хотел бы отдать должное Сираджу, который начал этот проект, основываясь на теоретической идее профессора Джеки Эвена из Университета Ренна», — сказал Мохите. «Я также хотел бы поблагодарить наших сотрудников из национальных лабораторий и нескольких университетов в США и за рубежом, чья помощь сыграла важную роль в этой работе».