«Апостериори»: Капля жидкости помогла улучшить солнечные батареи нового поколения

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Учёные нашли способ уменьшить потери энергии в перспективных солнечных элементах: при изготовлении материала они ненадолго создают внутри него жидкость, которая помогает исправить дефекты.

Солнечные батареи могли бы стать тоньше и проще в производстве благодаря материалам под названием перовскиты. Небольшие элементы из них уже преобразуют солнечный свет в электричество почти так же эффективно, как кремниевые. Но между лабораторным образцом и большой надёжной панелью пока лежит серьёзное препятствие: материал сложно изготовить достаточно качественным по всей площади.

Перовскитную плёнку можно вырастить из раствора при сравнительно невысокой температуре. По мере высыхания и нагрева в ней образуется множество крошечных кристаллов. Если в них остаются дефекты, часть энергии солнечного света теряется прежде, чем её удаётся превратить в электричество. Чем больше площадь плёнки, тем сложнее обеспечить её равномерное качество.

Международная группа исследователей предложила необычное решение: дать кристаллам на короткое время «перестроиться» с помощью жидкости. Результаты работы опубликованы в журнале Science.

Для этого учёные добавили в исходный раствор два вещества. При нагревании они образовывали смесь, которая плавилась при более низкой температуре, чем каждый из её компонентов по отдельности. Такие смеси называют эвтектическими; они хорошо знакомы, например, специалистам по металлическим сплавам.

В процессе изготовления плёнки жидкость ненадолго появлялась между растущими кристаллами. Исследователи проследили за этим с помощью рентгеновской наномикроскопии и обнаружили, что обработка помогает уменьшить число структурных дефектов внутри кристаллов. Большая часть компонентов добавки затем удалялась при нагревании.

Более упорядоченный материал лучше сохранял заряды, возникающие под действием света. Это важно потому, что для получения электричества зарядам нужно успеть добраться до контактов солнечного элемента. Дефекты могут перехватить их раньше, и тогда часть энергии теряется.

Лучшие небольшие элементы, изготовленные новым способом, преобразовали в электричество 26,5 процента падающего света; независимо подтверждённый результат составил 25,9 процента. Мини-модули площадью более 15 квадратных сантиметров достигли 23,9 процента. А некоторые небольшие элементы после 1400 часов непрерывной работы при температуре 85 градусов сохранили около 86 процентов первоначальной эффективности.

Новый подход может пригодиться не только для солнечной энергетики. Перовскиты способны не только поглощать свет, но и излучать его. Исследователи изготовили из улучшенного материала светодиоды с внешней квантовой эффективностью 26,1 процента – этот показатель характеризует, какая доля введённых зарядов превращается в вышедший из устройства свет.

В будущем способ управления ростом кристаллов может помочь создавать более эффективные солнечные элементы на больших площадях, а также улучшать светодиоды и другие устройства, работающие со светом. Исследователи уже испытали подход на разных составах перовскитов и изучают другие смеси, которые могли бы управлять ростом материала.

До промышленного применения, однако, ещё далеко. Мини-модуль размером в несколько квадратных сантиметров – важный шаг, но для настоящей панели потребуются равномерные плёнки площадью в квадратные метры и проверка многолетней работы на открытом воздухе.

Главная возможность, которую открывает исследование, – новый способ управлять качеством материала во время его изготовления. Вместо того чтобы просто мириться с дефектами готовой плёнки, учёные создают условия, при которых кристаллы могут избавиться от части несовершенств ещё в процессе роста.