Перовскиты — широкая категория соединений, которые имеют определенную кристаллическую структуру — привлекают большое внимание как потенциальные новые материалы для солнечных элементов из-за их низкой стоимости, гибкости и относительно легкого производственного процесса. Но многое остается неизвестным о деталях их структуры и эффектах замены различных металлов или других элементов в материале.
Обычные солнечные элементы, изготовленные из кремния, должны обрабатываться при температуре выше 1400 °C с использованием дорогостоящего оборудования, которое ограничивает их потенциал для увеличения производства. Напротив, перовскиты можно обрабатывать в жидком растворе при температурах до 100 °С, используя недорогое оборудование. Более того, перовскиты могут быть нанесены на различные подложки, в том числе гибкие пластмассы, что позволяет использовать множество новых применений, которые были бы невозможны при использовании более толстых и жестких кремниевых пластин.
Перовскит «сладкое пятно»
Сейчас исследователи смогли расшифровать ключевой аспект поведения перовскитов, «приготовленных» с использованием различных составов: с некоторыми добавками существует своего рода «сладкое пятно», когда большие количества добавок улучшают характеристики, и, выходя за определенные пределы, начинается процесс деградации. Результаты подробно изложены в журнале Science, в статье Хуана-Пабло Корреа-Баэна, профессоров MIT Тонио Буонассизи и Мунги Бавенди, а также 18 других сотрудников MIT, Калифорнийский университет в Сан-Диего (UCSD), и других учреждений.
Перовскиты представляют собой семейство соединений, которые имеют кристаллическую структуру, состоящую из трех частей. Каждая часть может быть изготовлена из любого количества различных элементов или соединений, что приводит к очень широкому диапазону возможных составов.
Буонасси сравнивает проектирование нового перовскита с заказом из меню ресторана, выбирая один (или более) из каждого из столбца A, столбца B и (по соглашению) столбца X. «Вы можете смешивать и сопоставлять», — говорит он. Но до сих пор все вариации могли быть изучены только методом проб и ошибок, поскольку исследователи не имели базового понимания того, что происходит в самом материале.
В предыдущем исследовании, проведенном группой из Швейцарской федеральной политехнической школы Лозанны, в котором участвовал Корреа-Баэна, было установлено, что добавление некоторых щелочных металлов в смесь перовскита может повысить эффективность материала при преобразовании солнечной энергии в электричество, примерно с 19% до 22%. Но в то же время не было никакого объяснения этому улучшению, и никакого понимания того, что эти металлы делали внутри соединения. «Очень мало было известно о том, как микроструктура влияет на производительность», — говорит Буонасси.
Только правильная смесь
Теперь подробное картирование с использованием синхротронных нано-рентгеновских флуоресцентных измерений с высоким разрешением, которое может исследовать материал лучом, составляющим всего одну тысячную ширины волоса, выявило детали этого процесса. Кроме того, появились потенциальные подсказки о том, как еще больше улучшить характеристики материала.
Оказывается, что добавление щелочных металлов, таких как цезий или рубидий, к соединению перовскита помогает некоторым другим составляющим смешиваться «более плавно». Как описывает команда, эти добавки помогают «гомогенизировать» смесь, облегчая ее электропроводность и, таким образом, повышая ее эффективность как солнечного элемента. Но они обнаружили, что это работает только до определенной точки.
Помимо определенной концентрации, добавленные металлы слипаются, образуя области, которые влияют на проводимость материала и частично противодействуют первоначальному преимуществу. Они обнаружили, что для любого конкретного состава данных комплексных соединений это самое лучшее место, которое обеспечивает наилучшую эффективность.
«Это большое открытие», — говорит Корреа-Баэна, который в январе стал доцентом материаловедения и инженерии в Georgia Tech. После трех лет работы в MIT и с сотрудниками UCSD исследователи обнаружили то «что происходит, когда вы добавляете эти щелочные металлы, и почему производительность улучшается». Они смогли непосредственно наблюдать за изменениями в составе материалов, и выявить, среди прочего, эти компенсирующие эффекты гомогенизации и комкования.
«Идея заключается в том, что, основываясь на этих выводах, мы теперь знаем, что должны искать подобные системы с точки зрения добавления щелочных металлов или других металлов или изменения других частей «рецепта»», говорит Корреа-Баэна. Хотя перовскиты могут иметь значительные преимущества по сравнению с обычными кремниевыми солнечными элементами, особенно с точки зрения низкой стоимости создания заводов по их производству, им все еще требуется дополнительная работа для повышения общей эффективности и долговечности, которая значительно отстает от эффективности кремниевых элементов.
Хотя исследователи выяснили структурные изменения, которые происходят в материале перовскита при добавлении различных металлов, и связанные с этим изменения в производительности, «мы до сих пор не понимаем, что стоит за этим», — говорит Корреа-Баэна. Это предмет постоянных исследований команды. Теоретическая максимальная эффективность перовскитовых солнечных элементов составляет около 31%, а лучший КПД для солнечных батарей на сегодняшний день составляет около 23%, поэтому остается значительный запас для потенциального улучшения.
Как скоро начнется массовое производство?
Хотя перовскитам могут потребоваться годы, чтобы полностью реализовать свой потенциал, по крайней мере, две компании уже находятся в процессе создания производственных линий, и они ожидают, что начнут продавать свои первые модули в течение следующего года или около того. Некоторые из них представляют собой маленькие, прозрачные и красочные солнечные элементы, предназначенные для встраивания в фасад здания. «Это уже происходит, — говорит Корреа-Баэна, — но предстоит еще многое сделать, чтобы сделать их более долговечными».
По словам Буонассизи, после того, как будут решены вопросы крупномасштабной технологичности, эффективности и долговечности, перовскиты могут стать основным игроком в отрасли возобновляемой энергии. «Если им удастся создать устойчивые, высокоэффективные модули, сохранив при этом низкую стоимость производства, это может значительно изменить игру», — говорит он. «Это может позволить значительно популяризировать солнечную энергетику намного быстрее, чем мы предполагали».
Перовскитовые солнечные элементы «в настоящее время являются основными кандидатами для коммерциализации. Таким образом, предоставление более глубокого понимания, как сделано в этой работе, способствует будущему развитию », — говорит Майкл Салиба, старший научный сотрудник по физике мягкой материи в Университете Фрибурга, Швейцария, который не принимал участия в этом исследовании.
Салиба добавляет: «Это замечательная работа, которая проливает свет на некоторые из наиболее исследованных материалов. Использование новых технологий, основанных на синхротроне, в сочетании с разработкой новых материалов имеет высочайшее качество». Он добавляет, что работа в этой области быстро прогрессирует. Таким образом, наличие более подробных знаний будет важно для решения будущих инженерных задач.
Исследование, в которое вошли ученые из Университета Пердью и Аргоннской национальной лаборатории, в дополнение к ученым из Массачусетского технологического института и UCSD, было поддержано Министерством энергетики США, Национальным научным фондом, Научно-техническим институтом Сколково и Калифорнийской энергетической комиссией.
Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL)
Прикладная программа NREL для перовскита PV стремится сделать солнечные элементы на основе перовскита жизнеспособной технологией, сосредоточив внимание на устранении барьеров для коммерциализации, повышая ее эффективность, контролируя стабильность и обеспечивая масштабирование.
Работа над солнечными элементами с использованием перовскитного материала быстро продвинулась благодаря превосходному поглощению света, подвижности носителей заряда и сроку службы, что приводит к высокой эффективности устройства и значительным возможностям для реализации недорогой, масштабируемой в отрасли технологии. Этот потенциал для низкой стоимости и масштабируемости требует преодоления барьеров, связанных со стабильностью и совместимостью с окружающей средой.
Однако, если эти проблемы будут решены, технология на основе перовскита обладает трансформационным потенциалом для быстрого развертывания солнечной энергетики в масштабе тераватт. Основные свойства материалов также вызвали интерес к использованию гибридных перовскитных полупроводников в более широком классе энергетических применений, которые охватывают традиционные электронные и оптические системы.
За несколько коротких лет Национальный центр фотовольтаики (NCPV) внес значительный технический вклад в исследования перовскитов, о чем свидетельствует большое количество ведущих публикаций и значительный интерес со стороны промышленности. Воздействие NCPV стало возможным благодаря краткосрочному финансированию лабораторных исследований и разработок (LDRD) и ранним инвестициям со стороны Управления науки Министерства энергетики (DOE), Управления фундаментальных энергетических наук (BES) и программы солнечной фотохимии, за которой последовали усилия, финансируемые Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, которые сосредоточены на фотоэлектрической энергии (PV).
