Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных элементов до уровня, близкого к рыночным стандартам

Важные новости

«Процесс

2D-образец перовскита. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

Солнечная энергия – это не только самая быстрорастущая энергетическая технология в новейшей истории, но и один из самых дешевых источников энергии, а также наиболее эффективный с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов.

Исследование Университета Райса, представленное на обложке журнала Science, описывает способ синтеза йодида свинца формамидиния (FAPbI3) – типа кристалла, который в настоящее время используется для изготовления самых эффективных перовскитных солнечных элементов— в ультрастабильные, высококачественные фотоэлектрические пленки. Общая эффективность полученных солнечных элементов FAPbI3 снизилась менее чем на 3% за более чем 1000 часов работы при температуре 85 градусов по Цельсию (185 по Фаренгейту).

«На данный момент мы считаем, что это самый современный вариант с точки зрения стабильности», — сказал инженер Райса Адитья Мохите, чья лаборатория за последние несколько лет добилась постепенного улучшения долговечности и производительности перовскитов. «Солнечные элементы на основе перовскита могут совершить революцию в производстве энергии, но достижение долгосрочной стабильности оказалось серьезной проблемой».

Благодаря этому последнему прорыву Мохайт и его коллеги достигли критической вехи на пути к выходу на рынок перовскитных фотоэлектрических элементов. Ключом была «приправа» раствора предшественника FAPbI3 добавлением специально разработанных двумерных (2D) перовскитов. Они служили шаблоном, направляющим рост объемного/3D-перовскита, обеспечивая дополнительное сжатие и стабильность структуры кристаллической решетки.

«Кристаллы перовскита разрушаются двумя способами: химически — разрушая молекулы, из которых состоит кристалл — и структурно — переупорядочивая молекулы, чтобы сформировать другой кристалл», — сказал Исаак Меткалф, аспирант Райс в области материаловедения и наноинженерии и ведущий автор исследования. исследование.

Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных элементов до уровня, близкого к рыночным стандартам

2D-образец перовскита. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса

«Из различных кристаллов, которые мы используем в солнечных элементах, наиболее химически стабильные являются также наименее структурно стабильными, и наоборот. FAPbI 3 находится на структурно нестабильном конце этого спектра».

Хотя он более стабилен, чем FAPbI3 как химически, так и структурно 2D-перовскиты обычно не очень хорошо поглощают свет, что делает их плохим выбором материала для солнечных элементов.

Однако исследователи предположили, что 2D-перовскиты, используемые в качестве темплатов для выращивания пленок FAPbI 3, могут придавать последним свою стабильность. Чтобы проверить эту идею, они разработали четыре различных типа 2D-перовскитов — два со структурой поверхности, почти неотличимой от структуры поверхности FAPbI 3, и два менее хорошо подобранных — и использовали их для создания различных рецептур пленок FAPbI3.

» Добавление хорошо подобранных 2D-кристаллов облегчило формирование кристаллов FAPbI 3, в то время как плохо подобранные 2D-кристаллы фактически усложнили формирование, подтвердив нашу гипотезу», — сказал Меткалф.

«Пленки FAPbI 3, изготовленные по шаблону из 2D-кристаллов, имели более высокое качество, демонстрировали меньший внутренний беспорядок и более сильную реакцию на освещение, что выражалось в более высокой эффективности».

Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных элементов до уровня, близкого к рыночным стандартам

Исаак Меткалф — аспирант в области материаловедения и наноинженерии в Университете Райса и ведущий автор исследования, представленного на обложке журнала Science. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса

2D-кристаллические шаблоны повысили не только эффективность солнечных элементов FAPbI 3, но и их долговечность. В то время как солнечные элементы без каких-либо 2D-кристаллов значительно деградировали после двух дней выработки электроэнергии из солнечного света в воздухе, солнечные элементы с 2D-матрицами не начали деградировать даже через 20 дней. Благодаря добавлению слоя инкапсуляции к солнечным элементам с 2D-шаблоном стабильность была еще больше улучшена до сроков, приближающихся к коммерческой значимости.

Эти открытия могут оказать преобразующее влияние на светособирающие или фотоэлектрические технологии, еще больше снизив производственные затраты и позволяя создавать солнечные панели с упрощенной структурой, которые легче по весу и более гибки, чем их аналоги на основе кремния.

«Перовскиты растворимы в растворе, поэтому вы можете взять чернила из предшественника перовскита и нанести их на кусок стекла, затем нагреть, и вы получите поглотительный слой для солнечного элемента», — сказал Меткалф.

р> <р>«Поскольку вам не нужны очень высокие температуры — перовскитные пленки можно обрабатывать при температуре ниже 150 градусов по Цельсию (302 по Фаренгейту) — теоретически это также означает, что перовскитные солнечные панели могут быть изготовлены на пластиковых или даже гибких подложках, что может еще больше снизить расходы.»

Хотя кремний является наиболее широко используемым полупроводником в фотоэлектрических элементах, его производственные процессы являются более ресурсоемкими, чем у новых альтернатив. Среди них галогенидные перовскиты выделяются своей стремительной эффективностью, которая выросла с 3,9% в 2009 году до более 26% в настоящее время.

Процесс синтеза повышает производительность перовскитных солнечных элементов до уровня, близкого к рыночным стандартам

«Приправа «Раствор предшественника FAPbI3 с добавлением специально разработанных двумерных (2D) перовскитов улучшил не только эффективность солнечных элементов FAPbI3, но и их долговечность. Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса

«Изготовление высококачественных перовскитных солнечных панелей должно быть намного дешевле и менее энергозатратным по сравнению с высококачественными кремниевыми панелями, поскольку обработка намного проще», — сказал Меткалф.

«Нам необходимо срочно перевести нашу глобальную энергетическую систему на альтернативу без выбросов», — добавил он, указав на оценки Межправительственной группы ООН по изменению климата, которые «убедительно доказывают, что солнечная энергия является альтернативой ископаемому топливу».

Мохите подчеркнул, что достижения в области технологий и инфраструктуры солнечной энергетики имеют решающее значение для достижения цели по выбросам парниковых газов к 2030 году и предотвращения повышения глобальной температуры на 1,5 градуса Цельсия, что «затем наставит нас на правильный курс для достижения чистых нулевых выбросов углерода к 2050 году». «

«Если солнечное электричество не появится, не произойдет ни один из других процессов, основанных на зеленых электронах из сети, таких как термохимические или электрохимические процессы в химическом производстве», — сказал Мохите. «Фотовольтаика абсолютно необходима».

Мохайт — профессор-попечитель Райса Уильяма М. Райса, профессор химической и биомолекулярной инженерии и директор факультета Инициативы рисовой инженерии по энергетическому переходу и устойчивому развитию. Помимо Меткалфа, ведущим автором исследования является Сирадж Сидхик, выпускник докторантуры Райса.

«Я хотел бы отдать должное Сираджу, который начал этот проект, основываясь на теоретической идее. профессором Джеки Эвеном из Университета Ренна», — сказал Мохит. «Я также хотел бы поблагодарить наших сотрудников из национальных лабораторий и нескольких университетов в США и за рубежом, чья помощь сыграла важную роль в этой работе».

Дополнительная информация: Сирадж Сидхик и др., Двумерные перовскитные шаблоны для долговечных и эффективных солнечных элементов из формамидиниевого перовскита, Наука (2024). DOI: 10.1126/science.abq6993. www.science.org/doi/10.1126/science.abq6993

Информация журнала: Наука предоставлена ​​Университетом Райса

Новости сегодня

Последние новости