Перовскитные солнечные элементы: ключ к долгосрочной стабильности

Перовскитные солнечные элементы недороги в производстве и высокоэффективны. Однако при использовании на открытом воздухе в реальных погодных условиях все еще остается под вопросом, как долго они будут оставаться стабильными. В настоящее время эта тема изучается в рамках международного сотрудничества под руководством профессора Антонио Абате в журнале Nature Reviews Materials. Исследователи изучили влияние повторяющихся термических циклов на микроструктуры и взаимодействия между различными слоями перовскитных солнечных элементов. Заключение: Решающим фактором деградации металлогалогенидных перовскитов является термическое напряжение. Это можно использовать для разработки стратегий, направленных на повышение долгосрочной стабильности перовскитных солнечных элементов.

Перовскиты — это класс материалов с полупроводниковыми свойствами, которые идеально подходят для преобразования энергии в солнечных элементах: лучшие из них, металлогалогенидные перовскиты, уже обеспечивают эффективность до 27%. Производство таких тонкопленочных солнечных элементов требует крайне мало материала и энергии, благодаря чему солнечная энергия может стать значительно дешевле. Однако при использовании на открытом воздухе солнечные модули должны обеспечивать практически стабильную производительность в течение как минимум 20–30 лет. И перовскитные материалы еще предстоит усовершенствовать.

Международное исследовательское сообщество под руководством профессора Антонио Абате опубликовало результаты нескольких лет работы в обзорной статье в известном журнале Nature Reviews Materials . Вместе с группой под руководством профессора Мэн Ли из Хэнаньского университета (Китай) и другими партнерами из Италии, Испании, Великобритании, Швейцарии и Германии они показывают, что термические напряжения являются решающим фактором деградации металлогалогенидных перовскитов.

«Хотя инкапсуляция может эффективно защитить клетки от влаги и атмосферного кислорода, при использовании на открытом воздухе они все равно подвергаются значительным колебаниям температуры днем ​​и ночью, а также в течение всего сезона», — говорит Эбате. В зависимости от географических условий температура внутри солнечных элементов может колебаться от минус 40 градусов по Цельсию до плюс 100 градусов по Цельсию (например, в пустыне).

Чтобы смоделировать это явление, перовскитные солнечные элементы в исследовании подвергались еще более экстремальным перепадам температур: от минус 150 градусов по Цельсию до плюс 150 градусов по Цельсию, снова и снова. Доктор. Гуйсян Ли (тогда постдок в HZB, сейчас профессор Юго-Восточного университета, Китай) исследовал, как микроструктура внутри слоя перовскита менялась во время циклов и в какой степени взаимодействие с соседними слоями также изменялось в ходе температурных циклов.

Это также снизило производительность ячейки. В частности, большие колебания температуры вызывали термические напряжения как внутри тонкой пленки перовскита, так и между различными соседними слоями: «В перовскитном солнечном элементе слои, изготовленные из совершенно разных материалов, должны находиться в идеальном контакте; «К сожалению, эти материалы часто имеют совершенно разные термические свойства», — объясняет Эбате. Например, пластмассы имеют тенденцию сжиматься при нагревании, а неорганические материалы — расширяться. В результате контакт между слоями ухудшается с каждым циклом. Кроме того, группа также исследовала локальные фазовые переходы и диффузию элементов в соседние слои.

На основе этого исследователи разработали стратегию повышения долгосрочной стабильности перовскитных солнечных элементов. «Решающее значение имеет термический стресс», — говорит Эбате. Основная цель — сделать структуры перовскита и прилегающие к ним слои более устойчивыми к термическим нагрузкам, например, за счет повышения кристаллического качества, а также за счет использования подходящих буферных слоев. Для равномерного и правильного определения стабильности при изменении температуры необходимы стандартизированные протоколы испытаний.