Перовскитовый солнечный элемент, разработанный инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего, приближает исследователей к преодолению потолка эффективности солнечных элементов, говорится в исследовании, опубликованном 10 августа в журнале Nature.
Новый солнечный элемент представляет собой не содержащий свинца низкоразмерный перовскитовый материал со сверхрешетчатой кристаллической структурой — впервые в этой области. Что особенного в этом материале, так это то, что он демонстрирует эффективную динамику носителя в трех измерениях, а его ориентация устройства может быть перпендикулярна электродам. Материалы этого конкретного класса перовскитов до сих пор демонстрировали такую динамику только в двух измерениях — о перпендикулярно ориентированном солнечном элементе никогда не сообщалось.
Благодаря своей специфической структуре этот сверхрешеточный солнечный элемент нового типа достигает эффективности 12,36%, что является самым высоким показателем для бессвинцовых низкоразмерных перовскитных солнечных элементов (эффективность предыдущего рекордсмена составляет 8,82%). Новый солнечный элемент также имеет необычное напряжение холостого хода 0,967 В, что выше теоретического предела 0,802 В. Оба результата были независимо сертифицированы.
Напряжение холостого хода — это свойство солнечного элемента, которое способствует его эффективности, поэтому этот новый солнечный элемент «может иметь потенциал для преодоления теоретического предела эффективности существующих солнечных элементов», — сказал старший автор исследования Шэн Сюй, профессор наноинженерии в Калифорнийский университет в Сан-Диего. «В один прекрасный день это может позволить нам достичь более высокой эффективности за счет большего количества электроэнергии от существующих солнечных панелей или генерировать такое же количество электроэнергии от солнечных панелей меньшего размера с меньшими затратами».
Исследователи предполагают, что улучшенное напряжение холостого хода материала может быть связано с новым физическим механизмом, который они называют внутризонной релаксацией носителей. Уникальная сверхрешетчатая структура материала позволяет различным компонентам солнечного элемента интегрироваться в вертикальном направлении, что создает двойную полосную структуру атомного масштаба. Под действием света возбужденные электроны могут релаксировать от одного компонента (область с меньшей шириной запрещенной зоны) к другому компоненту (область с большей шириной запрещенной зоны), прежде чем уравновеситься, чтобы изменить уровни Ферми в солнечном элементе со сверхрешеткой. Это способствует более высокому напряжению холостого хода. Подтверждено, что этот процесс связан со встроенным потенциалом сверхрешеточного солнечного элемента.
Для создания нового бессвинцового низкоразмерного перовскитового солнечного элемента исследователи использовали методы химической эпитаксии для изготовления сети кристаллов сверхрешетки. Структура сети уникальна тем, что состоит из перовскитовых квантовых ям, которые выровнены по вертикали и перекрещиваются. Эта перекрещивающаяся структура делает динамику носителя материала, которая включает в себя подвижность электронов, время жизни и пути проводимости во всех трех измерениях, более эффективной, чем просто наличие нескольких квантовых ям. Эти методы потенциально могут быть использованы для создания перовскитных сверхрешеток различного состава.
«Эта перовскитная сверхрешетка демонстрирует беспрецедентные характеристики переноса носителей, о которых мечтали многие исследователи в этой области», — сказал Юшен Лей, ведущий автор этой статьи, который был доктором философии. студент лаборатории Сюй в Калифорнийском университете в Сан-Диего, а сейчас работает докторантом в Стэнфордском университете.
Сверхрешетка состоит из наноинженерного фазового разделения между областями, легированными Bi 3+ , и неповрежденными областями Sn-I в вертикально ориентированных множественных квантовых ямах. Этот состав создает вариации компонентов в атомном масштабе, что, в свою очередь, позволяет горячим носителям быстро пересекать гетероструктурный интерфейс с несколькими квантовыми ямами, прежде чем они релаксируют — подвиг, которого обычно невозможно достичь, объяснили исследователи. Здесь это возможно из-за малой диффузионной длины, необходимой для пересечения границы гетероструктуры.
«Эта работа открывает много нового захватывающего потенциала для класса бессвинцовых низкоразмерных перовскитовых материалов», — сказал Сюй. Двигаясь вперед, команда будет работать над оптимизацией и расширением производственного процесса для изготовления кристаллов сверхрешетки , который в настоящее время все еще является трудоемким и сложным. Сюй надеется привлечь партнеров из индустрии солнечных батарей для стандартизации процесса.
Теги: батарея, Солнце, энергия
