Значительный прогресс может наступить в производстве недорогих солнечных элементов
За последние несколько лет серьёзно увеличилась эффективность перовскитных солнечных элементов. В период с 2006 года до настоящего времени их эффективность выросла с 3 до 25,5%. Сейчас они являются более конкурентоспособными, чем стандартные кремниевые фотоэлектрические панели. Специалисты считают, что осталось устранить всего несколько проблем перед тем, как перовскитные элементы можно будет поставить на «коммерческие рельсы».
Фото: nyu.edu
Группа исследователей из политехнического института Нью-Йоркского университета разработала решение одной из таких проблем перовскитных элементов. Она связана с легированием «дырок» p-типа в солнечных элементах. Это является «узким» местом в данной технологии. Сейчас процесс p-легирования проходит за счет проникновения и диффузии кислорода в слой «дырки». Это требует продолжительного времени (занимает от нескольких часов до суток). В результате коммерческое производство перовскитных солнечных панелей становится нецелесообразным.
Команда специалистов во главе с доцентом Андре Д. Тейлором (Andre D. Taylor) и Джемином Конгом (Jaemin Kong), Мигелем Модестино (Miguel Modestino) из департамента химической и биомолекулярной инженерии разработали метод, серьёзно ускоряющий этот ключевой этап в производстве перовскитных элементов. Им удалось это сделать за счёт использования углекислого газа (CO2) вместо кислорода.
Легированные органические полупроводники в перовскитных элементах требуются в качестве прослоек для извлечения заряда. Они располагаются между электродами и фотоактивным слоем перовскита. Стандартный способ легирования этих прослоек подразумевает добавление соли лития LiTFSI в полупроводник spiro-OMeTAD. Последний широко используется в качестве материала для переноса «дырок» в перовскитных солнечных элементах. В процессе легирования смесь spiro-OMeTAD и LiTFSI подвергается воздействию света и воздуха.
Стандартная методика требует не только много времени, но и ещё является зависимой от условий окружающей среды. Тейлор со своей командой разработали способ, который ускоряет этот процесс. Он включает в себя барботирование раствора spiro-OMeTAD солью LiTFSI с CO2 при облучении ультрафиолетом. Это технология приводит к быстрому увеличению (примерно в 100 раз) электрической проводимости промежуточного слоя по сравнению с существующей методикой. Плёнка, которая обрабатывается CO2, позволяет получить стабильные перовскитные солнечные элементы без необходимости какой-то дополнительной обработки.
Джемин Конг пояснил, что кроме сокращения времени изготовления и обработки элементов, использование предварительно легированного spiro-OMeTAD обеспечивает более высокую стабильность получаемых перовскитных солнечных элементов. Он объясняет это тем, что большинство ионов лития в растворе spiro-OMeTAD и LiTFSI стабилизируются в виде карбонатов лития при проведении барботирования CO2. В дальнейшем карбонаты лития отфильтровываются при нанесении предварительно легированного раствора на слой перовскита. В результате получаются чистые легированные органические материалы для слоев, переносящих «дырки».
В команду исследователей вошли специалисты из компании Samsung, Корейского научно-исследовательского института химических технологий, Йельского университета, Института науки и технологий Кванджу, университета Вонкванг. При проведении исследований они также обнаружили, что методику можно применять для легирования CO2 других π-сопряженных полимеров: PTAA, P3HT, PBDB-T, MEH-PPV. Как отметил Тейлор, ученые стараются выйти за рамки стандартных органических полупроводников, которые используются для солнечных батарей.
Андре Д. Тейлор сказал, что применение легирования CO2 к различным π-сопряженным органическим молекулам открывает различные направления для продолжения этих исследований. Это касается не только органических солнечных элементов, но и органических светоизлучающих диодов (OLED), полевых транзисторов (OFET), термоэлектрических устройств и др. Все они требуют контролируемого легирования органических полупроводников.
В результате этого процесса происходит потребление большого объёма газа углекислого газа. Руководитель исследовательской группы даже сделал не совсем логичный вывод из этих исследований. Он предположил, что подобную методику можно использовать для удаления углекислого газа из атмосферы. Как считает Тейлор, это может быть актуальным сейчас, когда правительства и крупные корпорации стремятся сократить выбросы CO2 в атмосферу.
Из долгой истории работы с литиевыми кислородо-воздушными аккумуляторными батареями известно, что большой проблемой является образование карбоната лития под действием кислорода из воздуха. Это приводит уменьшению числа ионов лития и снижает ёмкость аккумулятора. Предложенная методика легирования CO2 связывает литий и не допускает превращение его в подвижные ионы, которые могут повредить стабильности перовскитного солнечного элемента в длительной перспективе.
Проведенные исследования поддержали Национальный научный фонд США, Совет по стипендиям Китая, Национальный исследовательский фонд Кореи, Центр функциональных наноматериалов при Министерстве энергетики США.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
