21.08.2020

Органическая добавка увеличила срок службы перовскитных солнечных батарей

Органическая добавка увеличила срок службы перовскитных солнечных батарей

Ученые Российской академии наук, Сколковского института науки и технологий и Уральского федерального университета (УрФУ) исследовали сложные перовскиты галогенидов свинца, которые можно использовать в качестве материалов-поглотителей в солнечных батареях. Ученые добавили к одному из перовскитов органическое соединение — поливинилкарбазол. Как сообщает пресс-служба УрФУ, в результате получилась ячейка, эффективность преобразования солнечного света в энергию которой — 18,7%, а срок работы на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.

Проблема

Наиболее распространенный материал для производства солнечных батарей — кремний. Однако КПД кремниевых батарей невелик: аморфные и поликристаллические преобразуют в энергию лишь около 11% солнечного света, монокристаллические — 26,7%. Причем производство таких батарей затратно и неэкологично.

Поисковый тренд последнего десятилетия — производство перовскитных солнечных батарей. Производят батареи методом печатной электроники: на подложку с помощью печатного оборудования наносят химический раствор, в результате создают слои материалов заданного состава и геометрии. В случае перовскитных солнечных батарей — слои перовскитов.

(Перовскиты — класс материалов со структурой, подобной структуре титаната кальция, где присутствуют один анион (отрицательно заряженный ион) и два катиона (положительно заряженных иона). Анион, чаще всего окислитель из ряда галогенов, заменяет позицию кислорода, один из катионов — позицию кальция, второй — титана.) 

Производство перовскитных солнечных батарей гораздо дешевле и экологичнее, а их КПД за последние годы вырос с 3% до 25,2%, что сопоставимо с эффективностью кремниевых батарей. В перспективе, по оценкам ученых, КПД перовскитных солнечных батарей должен достичь 36%.

Недостаток таких батарей — их недолговечность. Катион из распространенной органики, обеспечивающий дешевизну производства, распадается так быстро, что срок работы батареи не превышает обычно 2 тыс. часов или 3 месяцев. Для сравнения: кремниевые батареи работают без ощутимых потерь около 25 лет.

Необходимость увеличить срок действия перовскитных солнечных батарей объясняет актуальность исследований внутренней термической стабильности перовскитов галогенидов свинца, которые используются в солнечных батареях как материалы-поглотители.

Исследование

Ученые добавили к одному из перовскитов, CH3NH3PbI3, органическое соединение —поливинилкарбазол, в результате получилась ячейка, у которой эффективность преобразования солнечного света в энергию — 18,7%, при этом срок ее работы на 500 часов дольше современных перовскитных солнечных батарей.

В роли аниона в данных перовскитоподобных структурах физики использовали галогены — йод, бром и их смеси, в качестве первого катиона — органическое соединение — метиламмоний, формамидиний, а также цезий, в качестве второго катиона — свинец.  

В работе исследователи ставили несколько задач. Во-первых, установить, какие процессы происходят при нагреве материалов и их термической деградации, чтобы в дальнейшем избежать нежелательных последствий, в том числе образования экологически вредных продуктов распада. Во-вторых, увеличить стабильность солнечных ячеек.

— Чтобы определить термическую стабильность разных галогенидов свинца, мы нагревали их до температур, рабочих для ячеек солнечных батарей — 90℃, и наблюдали, на какие компоненты разлагались галогениды в условиях теплового напряжения. Выяснилось, что наименее стабильны, наиболее легко разлагаемы на летучие компоненты галогениды метиламмония. Неорганические материалы с использованием цезия, напротив, обладают исключительной композиционной стабильностью, так как в их составе присутствуют нелетучие соединения цезия с бромом и йодом и отсутствуют хорошо разлагающиеся органические катионы, — рассказывает доцент кафедры электрофизики УрФУ, участник исследовательского коллектива Иван Жидков.

Решения видятся ученым, в частности, в тщательной герметизации слоя поглотителя, стабилизации органического катиона определенной добавкой или в замене его более экологичным аналогом, пусть и меньшей эффективности.

— Мы не останавливаемся на достигнутом: так, замечено, что наилучшее сочетание эффективности и термостабильности дают смеси брома и йода в различных сочетаниях. Еще одна задача — либо совсем исключить использование в наших материалах токсичного свинца, либо снизить его присутствие до приемлемого уровня. Конечная цель — создание высокопродуктивных, простых и недорогих в изготовлении, долговечных солнечных батарей, энергия которых будет в разы и десятки раз дешевле, чем полученная с помощью кремниевых батарей, — говорит Иван Жидков.

Такие батареи можно использовать не только на Земле, но и в космосе за счет их высокой радиационной стабильности. Для этого придется существенно повысить термостабильность материалов: эта характеристика особенно важна в условиях вакуума, в отсутствие условий для отвода тепла.

Результаты работы представлены в журналах Solar Energy Materials and Solar Cells и The Journal Physical Chemistry Letters. Исследование осуществляется благодаря грантам Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Иллюстрация: кристаллическая структура перовскита CH3NH3PbI3

 

Материалы по теме

Именем профессора УрФУ назван минерал

Человек воды

Уральский федеральный университет получит 300 млн рублей на разработку нового способа извлечения редкоземов

УЦСБ перечислил пять миллионов рублей в эндаумент фонд УрФУ

Российский 3D-принтер создадут в Новоуральске

Уральский федеральный университет выстраивает эффективные взаимоотношения с бизнесом