В РФ создали полностью неорганические перовскитные солнечные батареи с высоким КПД. Перовскитовые солнечные батареиСолнечные батареи из перовскита оказались самыми эффективными и супердешевымиКак получить дешевую солнечную энергию? Пока что точно неизвестно, однако удивительное падение цен на панели солнечных батарей продолжается. Появилась информация, что солнечные батареи из перовскита побили отметку эффективности 20%. Это заявление появилось всего лишь спустя 2 дня после того, как ведущие исследователи назвали перовскит будущим солнечной энергетики. Вполне вероятно, что спустя несколько десятилетий именно на батареях из этого материала будет лежать ответственность за выработку электроэнергии в целом. Как получают электричество из солнечного светаЕсть множество способов получения электричества из солнечного света. Однако на рынке солнечной энергии доминируют ячейки кристаллов кремния. Большинство альтернатив менее эффективны и при этом стоят дорого. Однако в последние несколько лет появилось множество домыслов о ячейках, сделанных из перовскита. Это класс кристаллов, которые своей структурой имитируют естественный оксид титана кальция. Перовскит не нуждается в обработке при высокой температуре, которая и составляет большую часть стоимости кремниевых элементов. Особенности батарей из перовскитаТо же самое верно и для нескольких других вариантов солнечных батарей, но, чтобы достичь повышения эффективности, потребовались десятилетия. С другой стороны, прошло всего лишь 7 лет после первой публикации об электроэнергии из перовскита и солнечного света, который имел эффективность 3,8%. Три года спустя профессор Оксфордского университета Генри Снейз изменил это, показав, как добиться 10% эффективности. Ранее в этом году профессор Снейз установил еще один рекорд, комбинируя ячейку перовскита с традиционным кремниевым модулем, что помогает захватить 25,2% энергии солнца. Теперь Снейз пошел еще дальше, объединив два слоя перовскита вместе, чтобы получить ячейки с эффективностью 20,3%. Несмотря на то что такие батареи менее эффективны, чем комбинации из кремния и перовскита, Снейх утверждает, что они будут более дешевыми в массовом производстве. Эффективность и другие проблемыГлавной задачей любого рода фотоэлемента является извлечение энергии из как можно большего количества волн разной длины. Снейз создал тип перовскита, который эффективно улавливает синий свет, но по большей части позволяет проходить красному. Он был соединен с другим видом перовскита, который эффективен при улавливании красного света. Хотя перовскит, который способен улавливать синий свет, был создан раньше, Снейз начал использовать еще один, который больше подходит для красного конца спектра. Используя комбинацию олова, свинца, цезия, йода и органических материалов, ученому удалось создать перовскит, который способен даже захватывать видимый инфракрасный свет. Помимо необходимости повышения эффективности, основным препятствием для практического использования солнечных батарей из перовскита является то, что они быстрее других теряют производительность при воздействии кислорода, тепла и воды. Воздействуя на перовскит температурой 100 градусов в течение четырех дней, Снейз смог достичь того, чтобы тепло больше не было проблемой, и вполне возможно, то же самое можно сказать о кислороде. Таким образом, будущее солнечной энергетики может быть намного ближе, чем мы привыкли считать. fb.ru В РФ создали полностью неорганические перовскитные солнечные батареи с высоким КПД - НаукаМОСКВА, 2 февраля. /ТАСС/. Ученые из Сколтеха, Института проблем химической физики РАН и МГУ им. М. В. Ломоносова создали эффективные полностью неорганические перовскитные солнечные батареи, сообщает пресс-служба Сколтеха. Новые устройства показали высокие КПД преобразования света (10,5%), сопоставимые с КПД перовскитных батарей на основе классических гибридных материалов (около 12%). "Наши устройства показали хорошую эффективность и высокую воспроизводимость электрических характеристик от образца к образцу, - приводит пресс-служба слова одного из авторов статьи, профессора Центра электрохимического запасания энергии Сколтеха, Павла Трошина. - Полученные результаты говорят о высоком потенциале неорганических комплексных галогенидов, что открывает новые возможности направленного дизайна фотоактивных материалов для эффективных и стабильных перовскитных солнечных батарей". Что такое перовскитные солнечные батареиПеровскитом называют редкий для поверхности Земли минерал, титанат кальция, а перовскитами - различные материалы с кристаллической решеткой, схожей с решеткой перовскита. В 2009 году было показано, что перовскиты могут эффективно преобразовывать энергию видимого света в электричество, и с тех пор они считаются одними из самых перспективных кандидатов для создания солнечной энергетики. Так, авторитетный научный журнал Science в 2013 году включил солнечные батареи на основе перовскитов в десятку главных научных прорывов года. Батареи на основе перовскита дешевле кремниевых, их производство не токсично, а сами батареи на основе перовскита можно делать тонкими и гибкими для размещения на поверхностях любой кривизны. Сегодня лучшую эффективность преобразования света в электричество показывают гибридные перовскитные фотоэлементы на основе органо-неорганических материалов APbI3, где A может быть различными органическими катионами (A=Ch4Nh3+ или HC(Nh3)2+) КПД лучших лабораторных образцов таких устройств достигает 22%, приближаясь к характеристикам фотоэлементов на основе кристаллического кремния, однако коммерциализация подобных устройств очень затруднена из-за их плохой эксплуатационной стабильности - они очень быстро деградируют во время своей работы в условиях внешней среды из-за термического и фотохимического разложения перовскитов. Чем заменить гибридные перовскитные солнечные батареиНаиболее эффективным подходом к созданию стабильных перовскитных материалов считают полную замену органических катионов на неорганические. Однако вместе с такой заменой резко падает эффективность устройства - например, солнечные батареи на основе пленок CsPbI3, полученных осаждением из раствора, ранее показывали эффективность преобразования света всего в 2-3%. В новой работе российские ученые предложили получать CsPbI3 за счет другого процесса - термического соиспарения йодидов цезия и свинца. В результате солнечные батареи на базе такого неорганического перовскита в их измерениях показывали стабильный КПД около 10%. При этом контрольные образцы солнечных элементов с аналогичной архитектурой на основе пленок гибридного перовскита Ch4Nh4PbI3 обладали сопоставимыми эффективностями в 10-12%. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Physical Chemistry Letters. tass.ru Перовскит увеличит эффективность кремниевых солнечных батарей без ущерба для производстваПоверхность кремниевых пирамидок в солнечном элементе, покрытых слоем перовскита EPFL Швейцарские ученые разработали технологию получения солнечного элемента, который одновременно включает в себя и кремниевую, и перовскитную части. Эффективность гибридной батареи составила 25,2 процента — это рекордный показатель для батарей такого типа. При этом стоимость технологии не сильно отличается от стоимости производства стандартных кремниевых элементов, пишут ученые в Nature Materials. Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, который может поглощать солнечный свет и преобразовывать его в электрическую энергию, остается кремний — именно из него сделано большинство современных солнечных батарей. Один из основных недостатков этого материала — фундаментальные ограничения в эффективности преобразования энергии: для однослойной солнечной батареи из кремния ее максимум не превышает 30 процентов. Значительно больших КПД удается добиться при использовании многослойных ячеек из других полупроводниковых материалов. Например, эффективность солнечных батарей из арсенидов галлия и индия приближается к 50 процентам, однако их производство очень дорого и в промышленных масштабах пока что не может быть реализовано. В качестве замены кремнию именно для массового производства солнечных батарей чаще других материалов предлагают использовать соедиенения со структурой перовскита. Обычно перовскитные солнечные ячейки включают в себе органо-неорганические материалы на основе трииодида метиламмония свинца (Ch4Nh4PbI3), и уже сейчас их эффективность превышает 20 процентов. Дополнительно повысить КПД батарей на основе перовскитных материалов тоже можно за счет использования многослойных полупроводниковых структур, однако, как и в случае с арсенидными элементами, производство эффективных перовскитных ячеек из большого числа слоев нанометровой толщины пока остается слишком дорогим. Для уменьшения стоимости производства многослойных перовскитных солнечных элементов и одновременного увеличения их эффективности швейцарские ученые под руководством Кентена Жангро (Quentin Jeangros) из Федеральной политехнической школы Лозанны предложили наносить тонкий слой перовскитного полупроводника на поверхность более эффективных кремниевых ячеек. Использование подобных гибридных элементов позволяет увеличить эффективность поглощения солнечного света: перовскит лучше поглощает в синей и зеленой частях спектра, а кремний — в красной и инфракрасной. Подобные гибридные ячейки уже пытались получать, однако все они использовали плоские полированные кремниевые поверхности, которые недостаточно эффективно поглощают свет. Более эффективные кристаллы кремния, которые используются сейчас в солнечных элементах, имеют на своей поверхности текстуру, состоящую из массива пирамидок микронного размера, что сильно снижает долю отраженного света. Однако такая текстура затрудняет осаждение на нее слоев других составов с помощью традиционных методов (таких как спин-коутинг). Поэтому в данном случае ученые предложили использовать для получения перовскитного и промежуточных слоев целый комплекс методов осаждения пленок из газовой фазы после совместного испарения компонентов, в том числе термическое напыление, атомно-слоевое осаждение и магнетронное распыление. Схема слоистой структуры гибридного солнечного элемента (слева) и изображения его поверхности, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии — до (b) и после (c) нанесения на поверхность кремния перовскитного слоя F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018 В результате правильного подбора составов всех слоев, необходимых для создания p-i-n-перехода, химикам удалось получить солнечный элемент, в котором поверхность кремния покрывала многослойная структура, включающая основной слой перовскита толщиной около 400 нанометров. Эффективность преобразования энергии солнечного элемента составила 25,2 процента — это рекордный показатель для гибридных батарей такого типа. А за счет использования именно пирамидальной кремниевой поверхности удалось добиться и высокого значения плотности тока в ячейке: она достигала 19,5 миллиампер на квадратный сантиметр.F. Sahli et al./ Nature Materials, 2018 По словам авторов работы, основное достоинство предложенного метода — это его полная совместимость с современной технологией производства кремниевых батарей. Поэтому добавление к процессу одной дополнительной стадии не сильно скажется на стоимости производства, зато значительно увеличит эффективность получаемых элементов. Ученые отмечают, что в дальнейшем с помощью такого подхода эффективность гибридных солнечных ячеек может быть увеличена и до 30 процентов.Одна из главных недостатков современных перовскитных батарей — их химическая и физическая деградация, которая приводит к быстрому снижению эффективности. Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают различные подходы. Например, недавно для этого химики разработали перовскитную солнечную батарею с дополнительным слоем фторированного графена, который не дал КПД элемента упасть за месяц больше, чем на 18 процентов. Другой способ замедления деградации — снятие внутренних напряжений в кристалле, к которому может привести облучение батареи светом энергией больше ширины запрещенной зоны. Александр Дубов nplus1.ru Перовскиты могут удвоить КПД солнечных батарей за счет горячих носителейКристаллическая решетка перовскита Ch4Nh4PbI3 Wikimedia Commons Американские исследователи показали, что в солнечных элементах на основе перовскитов носители заряда, обладающие избыточной энергией, способны преодолевать значительное расстояние, прежде чем рассеют ее в виде тепла. Это означает, что реализовать фотоэлектрические элементы на горячих носителях, для которых теоретический предел КПД вдвое выше, чем у обычных кремниевых, на практике вполне возможно. Исследование опубликовано в журнале Science. В самых распространенных на сегодняшний день солнечных элементах, использующих в качестве полупроводника кремний, теоретически возможный коэффициент полезного действия едва превышает 30 процентов. Это связано с тем, что кремниевые элементы способны использовать спектр солнечного света только частично. Фотоны, обладающие энергией ниже пороговой, просто не поглощаются, а обладающие слишком высокой приводят к образованию в фотоэлементе так называемых горячих носителей заряда (например, электронов). Время жизни последних составляет около пикосекунды (10-12 секунды), потом они «остывают», то есть рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Если бы горячие носители удавалось собирать, это повысило бы теоретический предел КПД до 66 процентов, то есть вдвое. Несмотря на то что в некоторых экспериментах небольшое сохранение энергии удавалось наблюдать, элементы на горячих носителях пока остаются скорее гипотетическими. Ученые из Университета Пердью и Национальной лаборатории возобновляемой энергетики (США) внесли вклад в изучение нового перспективного класса фотоэлектрических элементов на основе перовскитов и продемонстрировали, что в таких элементах горячие носители не только обладают повышенным временем жизни (до 100 пикосекунд), но и способны «пробегать» значительные дистанции в несколько сотен нанометров (что сопоставимо с толщиной слоя полупроводника). Металлорганические перовскиты получили свое название благодаря кристаллической структуре. Она по сути повторяет структуру природного минерала — перовскита, или титаната кальция. Химически они представляют собой смешанные галогениды свинца и органических катионов. Авторы работы использовали распространенный перовскит на основе иодида свинца и метиламмония. Исходя из того, что в перовскитах время жизни горячих носителей существенно увеличено по сравнению с другими полупроводниками, авторы решили выяснить, на какое расстояние могут переноситься горячие носители за время их остывания. С использованием ультраскоростной микроскопии исследователям удалось непосредственно пронаблюдать транспорт горячих носителей в тонких пленках перовскита с высоким пространственным и временным разрешением. Транспорт горячих носителей в полупроводнике в течение первой пикосекунды после возбуждения Guo et al / Science 2017 Оказалось, что медленное остывание в перовскитах сопряжено с дальностью пробега, которая составила до 600 нанометров. Это означает, что носители заряда с избыточной энергией теоретически способны преодолевать слой полупроводника и достигать электрода, то есть их возможно собирать (правда, как это реализовать технически, авторы работы не обсуждают). Таким образом, солнечные элементы на горячих носителях, возможно, удастся воплотить в жизнь, взяв за основу перовскиты.К настоящему времени максимальный КПД, доходящий до 46%, был зарегистрирован для многослойных многокомпонентных фотоэлектрических элементов, в состав которых входит арсенид галлия, индий, германий со включениями фосфора. Такие полупроводники используют свет более эффективно, поглощая различные части спектра. Производство их очень дорого, поэтому такие элементы используются только в космической промышленности. Ранее мы писали также про элементы на основе теллурида кадмия, которые можно производить в виде гибких и тонких пленок. Несмотря на то, что общий вклад в производство электроэнергии солнечной энергетики пока не превышает 1%, темпы роста можно назвать взрывными. Особенно заинтересованы в использовании возобновляемой энергии солнца такие страны как Индия и Китай. Компания Google в конце 2016 года заявила, что в этом году собирается полностью перейти на возобновляемую энергетику. В настоящее время в быту используются в основном кремниевые фотоэлементы, реальный КПД которых составляет 10–20 процентов. Элементы на основе перовскитов появились менее 10 лет назад и сразу вызвали к себе заслуженный интерес (о них мы уже писали ранее). КПД таких элементов быстро увеличивается и практически доведен до 25 процентов, что сопоставимо с лучшими образцами кремниевых фотоэлементов. К тому же они очень просты в производстве. Несмотря на технологический успех, физические принципы работы перовскитовых элементов относительно мало изучены, поэтому обсуждаемая работа ученых из США вносит важный вклад в фундаментальные основы фотовольтаики и, конечно, влечет за собой перспективу дальнейшего увеличения КПД солнечных элементов.Дарья Спасская nplus1.ru Перспективы солнечных батарей из перовскитаЭкология потребления. Наука и техника: Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ. Последние годы СМИ нередко публикуют новости о солнечных батареях из перовскита, которые хоть пока и уступают кремниевым по эффективности, но более дешевые, и потому у них неплохие перспективы в сфере ЖКХ. В России разработку перовскитовых фотоэлементов поддерживают на государственном уровне Перовскит — так называется минерал, открытый еще в начале позапрошлого века в Уральских горах. В природе это титанат кальция, содержашийся в горных породах, претерпевших воздействие огромных температур и давления. Перовскит привлек внимание ученых своей необычной кристаллической структурой в виде неправильного куба, присущей различным соединениям с полупроводниковыми свойствами. Для создания фотоэлемента достаточно тонкого слоя материала со структурой перовскита. Чтобы ее получить, иодид свинца и металлоорганический иодид растворяют в диметилформамиде и наносят на подложку, например, из органического полимера. Затем структуру отжигают при температуре 90-110 градусов, — так происходит формирование поликристаллической пленки из перовскитных молекул. В результате получаются гибкие полупрозрачные панели. Создать такие из кремния невозможно. Скачущие электроны В фотовольтаическом элементе фотопроводящий слой перовскита зажат между слоями еще двух полупроводников, например, из оксида металла и органического полимера, служащих для транспортировки носителей заряда. У электронов в полупроводнике разная энергия, и на основании этого их можно разделить по уровням. В физике рассматриваются три верхних уровня, в пределах которых и происходит движение носителей заряда. Нижний уровень, валентная зона, полностью заполнен электронами. Там они почти не способны двигаться — зажаты, как пассажиры в автобусе в час пик. Следующий энергетический уровень для них запрещен законами природы: электроны способны только прыгнуть через него и оказаться в зоне проводимости. Но где взять энергию? Для этого и нужен солнечный свет, то есть поток фотонов. Они как бы толкают электроны, придавая им силы прыгнуть "выше". На месте, где были электроны, остаются положительные носители заряда, называемые дырками. В зоне проводимости электроны становятся свободными и могут двигаться из одного слоя фотоэлемента в другой, избавляясь от избытка энергии. Свободные электроны через слой одного полупроводника направляются к катоду, а дырки через слой другого полупроводника устремляются к аноду, и процесс повторяется заново. Эти дополнительные слои полупроводников выполняют роль своеобразных приемщиков носителей заряда, более эффективно разводя их к электродам. Почему перовскит еще не завоевал мир "Рекордная эффективность (коэффициент полезного действия) кремниевых батарей составляет сегодня 26,6 процента. Исследователи достигли той же конкурентоспособной величины в устройствах с использованием нового материала в 22,7 процента. Однако следует учитывать, что с кремнием физики работают уже полвека, а вот перовскит изучают всего около девяти лет. Думаю, дальнейший рост эффективности — это вопрос самого ближайшего времени при современном уровне развития химии, полупроводниковой электроники, и интенсивности исследований в данной области", — рассказывает Данила Саранин, сотрудник научно-образовательного центра "Энергоэффективность" НИТУ "МИСиС". Главный недостаток солнечных батарей на перовските заключается в том, что под воздействием фотонов атомы между слоями начинают "путешествовать", из-за чего в структуре возникают дефекты. Со временем устройство теряет эффективность. Пока наилучший результат по сохранению коэффициента полезного действия для элемента на перовските — 13 процентов за год работы. Ждем энергоэффективных зданий Ученые полагают, что перовскитовые солнечные панели лучше подходят для бытовых целей, чем кремниевые, за счет того, что они полупрозраны. Их можно даже разместить в окне дома или квартиры вместо стекла. Такая солнечная батарея прозрачна из-за малой толщины, составляющей порядка сотен и даже десятков нанометров. Учитывая открывающиеся перед перовскитом перспективы, в программу Евросоюза Zero Energy Buildings (что можно перевести как "Здания с нулевым потреблением энергии") включили "оклеивание" архитектурных сооружений солнечными батареями на основе этого необычного материала. Аналогичную задачу решают ученые в НИТУ "МИСиС", чей проект "Широкоформатные полупрозрачные солнечные панели c использованием стабильных перовскитных архитектур" поддержан мегагрантом Минобрнауки России. Руководить работами пригласили иностранного специалиста Альдо ди Карло, профессора кафедры оптоэлектроники и наноэлектроники Римского университета Тор Вергата. "Наша цель — создание дешевых, гибких и производительных солнечных батарей, которые можно встраивать в фасады зданий или окна. Для начала надо научиться изготавливать крупные устройства, соответствующие масштабам зданий. Параллельно мы будем решать комплексную задачу по подбору новых материалов для эффективных перовскитовых солнечных батарей, стабилизировать существующие соединения, исследовать их свойства как теоретически, так и экспериментально ", — делится дальнейшими планами Саранин. На сегодняшний день нашим физикам удалось уменьшить деградацию одного из полупроводников, входящих в перовскитовый фотоэлемент, и сконструировать с его помощью экспериментальную солнечную батарею, которая показала за год в среднем эффективность 15 процентов. опубликовано econet.ru Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь. P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet econet.ru Солнечные ячейки на основе перовскитовВ 2009 году была открыта способность перовскитов преобразовывать энергию солнечного света в постоянный электрический ток [1]. С тех пор ведется большое количество исследований в этом направлении, что уже привело к тому, что за прошедшие с того момента пять лет эффективность солнечных батарей на основе перовскитов выросла с 3 % до 19, 3 % и продолжает расти [2]. Солнечные элементы данного типа имеют кристаллическую структуру, схожую с кристаллической решеткой перовскита минерала титаната кальция CaTiO3, откуда и происходит их название. Типичная формула перовскита, используемого в солнечной энергетике, Ch4Nh4PbX3, где Ch4Nh4 — ион метиламмония, Pb — свинец, а X — ион из числа галогенов (может быть как I, Br, так и Cl). Кристаллическая решетка такого перовскита изображения на рисунке 1. Атомы метиламмония расположены в узлах слабо искаженной кубической решетки. В центрах псевдокубов располагаются атомы свинца (в ряде случаев это может быть и олово). Атомы галогенов образуются вокруг атомов свинца практически правильные октаэдры, которые немного развернуты и наклонены относительно идеальных положений.
Рис. 1. Кристаллическая структура соединений перовскитов
Главным преимуществом перовскитов является то, что они могут быть изготовлены из обычных металлов и промышленных химических веществ, а не из дорогих исходных металлов, используемых в других заменителях солнечных ячеек на основе кремния. Кроме того, нанесение фоточувствительных элементов на основе перовскитов непосредственно на стекло (или другие материалы) гораздо дешевле способов получения тонкопленочных элементов [3]. Это позволяет наладить большое серийное производство, не требующее огромных затрат ресурсов. Также перовскиты могут быть нанесены на гибкие структуры, такие как пластик и ткань, что открывает большие возможности для их применения. Еще одним важным достоинством перовскитов является их стабильность. Даже в условиях непрерывного освещения преобразование тока уменьшается всего на 10 % от первоначального [4]. Специалисты предполагают, что в ближайшие десять лет эффективность солнечных батарей на основе перовскитов достигнет 50 % [5]. К недостаткам можно отнести то, что полученные солнечные ячейки на данный момент имеют ограниченный срок жизни, равный полгода. Существует три типа солнечных батарей на основе перовскита, схематично они изображены на рисунке 2.
Рис. 2. Три типа строения солнечных ячеек на основе перовскита
В первом случае (рисунок 2.а) в качестве дополнительного электрода используется мезопористый оксид титана. Такая конструкция позволяет добиться высокой скорости преобразования солнечной энергии в постоянный электрический ток [6]. Однако, заполнение такого рода мезопористых структур перовскитом чрезвычайно сложно, и вследствие этого дорого. Согласно второму варианту (рисунок 2.б) в качестве пористой структуры используются нанотрубки (материал ZnO или TiO2). Благодаря их вертикальному расположению скорость транспортировки и рекомбинации электронов будет больше, чем в предыдущем случае. А это в свою очередь позволяет уменьшить размеры пластин при той же эффективности. При равной площади эффективность различается более, чем на 5 % [7]. Тем не менее, солнечные батареи на основе перовскитов способны давать неплохие показатели эффективности, даже когда представляют собой обычную планарную структуру (рисунок 2.в). Даже более того, ввиду своей дешевизны относительно двух предыдущих вариантов, именно они представляют основной исследовательский интерес. Далее рассмотрим транспортный узел, так называемый HTM — hole transport material (дословный перевод — материал, служащий основой для переноса дырок). Известно, что перовскиты обладают высокой проводимостью около 10–3 См.см-3, которая требует толстый слой HTM, чтобы избежать сквозных отверстий. Например, широко используемый в качестве слоя HTM материал spiro-OMeTAD имеет меньшую проводимость, приблизительно 10–5См.см-3, что позволяет достичь больших значений сопротивления. Таким образом, HTM играет огромную роль в работе всего солнечного элемента на основе перовскита. Существует большое количество материалов, которые могут использоваться в качестве слоя HTM. Рассмотрим каждый из них по отдельности. Самым популярным является уже упомянутый выше представитель органических полимеров spiro-OMeTAD с формулой C81H68N4O8. Кроме того, повысить эффективность преобразования солнечной энергии с использованием spiro-OMeTAD можно с помощью легирования последнего p-допантом, например, протонными ионными жидкостями (PILs). Также в качестве транспортного слоя свое применение находят следующие органические полимеры: P3HT и DEH. Судя по результатам, при использовании данных полимеров эффективность процесса рекомбинации возрастает в 10 раз для случая с DEH и в 100 раз для P3HT. Однако серийное производство spiro-OMeTAD, P3HT, DEH осложнено высокой стоимостью их получения, поэтому сейчас активно ведутся работы по созданию неорганических HTM. На эту роль претендуют полупроводники p-типа, такие как NiO, CuCsN, CuI, CsSnI3и другие. Они имеют хорошую оптическую прозрачность, исключают возможность утечки электронов, имеют соответствующие энергетические уровни, а также поддерживают высокое качество и достаточную толщину пленки перовскита [8]. В качестве электрода используется оксид индия олова (ITO), прозрачный для видимого света. Однако сейчас ведутся активные работы по поиску альтернатив ITO, поскольку индий является достаточно редким элементом, и соответственно цена на оксид очень высока. К тому же полученные пленки являются очень хрупкими. В качестве альтернативы может применяться олово, легированное фтором (FTO) Compact TiO2 (пористый диоксид титана) используется в качестве электрода, повышающего эффективность процесса поглощения. Каждый из слоев (за исключением слоя перовскита) наносится последовательно золь-гель методом. Его основное преимущество перед остальным и методами (спрей-пиролиз, осаждение из газовой фазы, магнетронное распыление и др.) в том, что полученный золь можно наносить на практически любой сложности формы, легче контролировать уровень легирования, а также он не требует сложного оборудования. 1) Получение ITO: подложка опускается в раствор золя. Раствор получается смешением двух компонент. Первая — трихлорид индия (InCl3), растворенный в ацетилацетоне(CHCOCh4), вторая — хлорид олова(SnCl2 2) Получение TiO2: смешиваются тетрабутилтитанат ((C4H9O)4Ti), обезвоженный этанол (обычный этанол) (C2H5OH), деоионизированная вода (h3Oдеион.), ацетилацетон(CHCOCh4) и уксусная кислота(C2h5O2) в молярной пропорции 1:30:3:1:2. На первом этапе тетрабутилтитанат растворяется в ½ части этанола, содержащего ацетилацетон. Затем туда добавляют уксусную кислоту. После чего раствор герметизируют и мешают в течение 30 минут. Во время второго этапа в полученный раствор добавляют воду и оставшуюся половину ½ этанола. Конечный раствор мешают в течение двух часов. После чего раствор оставляют на трое суток. Спустя 72 часа подложки начинают опускать в раствор (скорость осаждения 0–12 дюймов в минуту), после чего подложки выдерживают 1 час при температуре 100 гардусов, а затем отжигают в печи при температурах от 300 до 900 градусов [9]. 3) Получение Ch4Nh4PbX3. Интересный способ получения слоя перовскита предложили инженеры Массачусетского Университета. В качестве источника свинца используются старые аккумуляторы, в которых на аноде скапливается свинец, а на катоде диоксид свинца. После очищения электродов порошок диоксида свинца отправляют в печь на 5 часов при температуре 600 градусов, чтобы получить оксид свинца. Затем свинец растворяют в азотной кислоте (HNO3), а оксид свинца — в уксусной(C2h5O2). После полного растворения в оба раствора добавляют раствор йодида калия, после чего раствор приобретает ярко-желтый цвет. Затем наносится на подложку, используя центрифугу [10]. 4) Получение NiO: Растворяется 0.5 М тетрагидрата диацетата никеля (C4h24NiO8) в 50 мл этанола(C2H5OH) и 0.5 мл соляной кислоты(HCl). Получившийся раствор выдерживают при температуре 60 градусов в течение одного часа и затем охлаждают до комнатной температуры. Затем 10 раз опускают подложки в конечный золь, после чего отжигают в течение 90 минут при температуре 300 градусов. В результате проведенной работы были рассмотрены солнечные ячейки на основе перовскитов. Как выяснилось, данный тип солнечных ячеек является наиболее перспективным сейчас. Во многом это связано с простой получения и нанесения пленок, составляющих структуру ячейки. Также было высказано предположение, что, используя золь-гель метод, можно сделать процесс получения фоточувствительных элементов данного типа еще дешевле.
Литература:
1. Kojima A1, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T., Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells, — 2009 2. Компания «ScienceAAAS» [электронный ресурс]. — Режима доступа: https://clck.ru/9RU7c, свободный 3. Компания «TheWallStreetJournal» [электронный ресурс]. — Режима доступа: https://clck.ru/9RU7t, свободный 4. Компания «Phys.org» [электронный ресурс]. — Режима доступа: https://clck.ru/9RU87, свободный 5. Компания «TheGuardian» [электронный ресурс]. — Режима доступа: https://clck.ru/9RU8H, свободный 6. S. D. Stranks, G. E. Eperon, G. Granchini, C. Menelaou., Electron-hole diffusion lengths exceeding 1 micrometer in an organometal trihalide perovskite absorber, — Science, 2013 — p.341 7. J. H. Qiu, Y. C. Qiu, K. Y. Yan., All-solid-state hybrid solar cells based on a new organmetal halide perovskite sensitizer, — Nanoscale, 2013 8. Zonglong Zhu, Yang Bai, Teng Zhang., High-performance hole-extraction of sol-gel-processed NiO nanocrystals for inverted planar perovskite solar cells, — Angewandte Chemie, 2014 9. Xiaodong Wang, Guangming Wu, Bin Zhou., Optical constants of crystallized TiO2 coatings prepared sol-gel process, — Materials, 2013 10. Jifa Qi, Matthew Klug, Xiangnan Dang, Recycling old batteries into solar cells, — MIT, 2014. moluch.ru Перовскитные солнечные батареи почти догнали по эффективности кремниевыеСоздание перовскитной солнечной батареи представляет из себя сравнительно простой процесс, сводящийся к нанесению двух заранее полученных растворов на одну и ту же поверхность Фотография: Dennis Schroeder Группа разработчиков во главе с Сан Иль Cоком из Корейского исследовательского химико-технологического института добились рекордного для перовскитных солнечных батарей КПД в 20,2 процента, заменив один из компонентов полупроводника. Это значение близко по уровню к показателям кремниевых фотоэлементов, намного более сложных в производстве. Соответствующая публикация вышла в Science.Чтобы создать новую батарею с перовскитообразной структурой исследователи покрыли исходную стеклянную подложку раствором йодида свинца, дали ему высохнуть, а затем нанесли поверх раствор йодида формамидиния (последний имеет формулу [R2N-CH=NR2]+I-), и снова дали высохнуть. Такой сравнительно простой двухстадийный процесс не требует ни чистой комнаты, ни использования вакуума, усложняющих и удорожающих производство кремниевых солнечных батарей. После формирования перовскитного слоя авторы разместили на нем золотые контакты и получили готовый фотоэлемент. Процесс образования перовскита в результате обмена между слоем с органическим веществом и йодидом свинца Woon Seok Yang et al. / Science, 2015 В результате исследователями удалось добиться КПД в 20,2 процента, что существенно превышает более ранние результаты других групп. К примеру, лучший результат их японских конкурентов на сегодня равен 15 процентам. Материаловеды связывают результативность нового фотоэлемента с заменой традиционного для перовскитных батарей йодида метиламмония на йодид формамидиния, имеющего существенно более широкую запрещенную зону и поэтому эффективно использующего бóльшую часть видимого диапазона. В настоящее время они работают над увеличением размера фотоэлемента. Разработчики перовскитных фотоэлементов полагают, что, заменив кремниевые аналоги, перовскиты способны уменьшить стоимость энергии получаемой от Солнца, даже несмотря на то, что цена такой энергии за последние годы уже снизилась до уровня «угольного» электричества. Только за 2010-2014 годы общая мощность гелиогенерации выросла с 70 до более чем 180 гигаватт и продолжает расти быстрее, чем какой-либо иной вид генерации. Германия, например, в 2014 году впервые в собственной истории выработала от Солнца больше электроэнергии, чем от газа, потребление которого, благодаря этому, удалось несколько сократить. nplus1.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
2h3O), растворенный в этаноле(C2H5OH). Оба раствора смешиваются при температуре 83 градуса Цельсия. В конечный раствор опускают подложки и начинают доставать их оттуда со скоростью 8 см в минуту. Затем производится сушка в течение 30 минут при температуре 150 градусов, а затем отжиг в течения 30–60 минут в обычной печи при температуре 500 градусов.
