Ученые Северо-Западного университета в американском штате Иллинойс создали усовершенствованные солнечные элементы на основе перовскитов, достигнув эффективности преобразования энергии в 25 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Перовскитами называют класс соединений, которые имеют тот же тип кристаллической структуры, что и титанат кальция CaTiO3 (ABX3). Эта структура полезна тем, что в нее можно внедрить множество различных положительно заряженных ионов (катионов), получая материалы с различными инженерными свойствами. Такая настройка позволяет создать перовскитные солнечные элементы, которые поглощают свет нужной длины волны, в отличие от кремниевых элементов, поглощающих только фиксированный диапазон солнечного спектра.
Перовскитные материалы, как и кремний, обладают полупроводниковыми свойствами. При поглощении энергии электроны отрываются от атомов и переходят в зону проводимости, а атом превращается в положительно заряженный ион или дырку. В перовскитных элементах этот процесс протекает в активном слое, который окружен слоями, разделяющими электроны и дырки и позволяющими создать направленное движение заряженных частиц.
Хотя наиболее эффективными являются классические перовскиты, инвертированные перовскиты демонстрируют большую стабильность и считаются более перспективными. Эти два типа отличаются друг от друга расположением слоев. Если в классических сначала (снизу-вверх) идет электрон-транспортный слой из оксида титана, за которым следует активный перовскит и слой с дырочной проводимостью, то в инвертированных дырочно-проводящий слой наносят под активным слоем перовскита, поверх которого наносят электрон-проводящий слой.
В инвертированных перовскитах электроны движутся снизу вверх, однако они также могут попадать в активный слой и заполнять дырки, что снижает эффективность солнечного элемента. Чтобы предотвратить это, ученые использовали молекулу PDAI2 (пропан-диаммониум-диодид), которая останавливает рекомбинацию дырок и электронов на поверхности контакта двух слоев, а также молекулы, содержащие серу, для восстановления поверхностных дефектов.
Этот подход привел к пятикратному увеличению срока службы солнечных элементов и позволил достигнуть коэффициента энергетического преобразования 25,1 процента при 65 градусах Цельсия в течение более двух тысяч часов.