Органическая добавка увеличила срок службы перовскитных солнечных батарей

August 20, 2020

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

 

Новости

Екатеринбург станет двухмиллионником к 2030 году

14.12.2021

Около десяти новых площадок выберут в Екатеринбурге для применения механизма комплексного развития территории в 2022 году

14.12.2021

Уровень вакцинации в регионах УрФО почти вдвое меньше, чем требуется для коллективного иммунитета

14.12.2021

Авиакомпания Utair запускает с 10 января рейс Сургут — Курган

14.12.2021

Корпорация развития Среднего Урала получила контрольный пакет акций в управляющей компании индустриального парка «Богословский»

14.12.2021

3087 семей улучшили в 2021 году условия проживания в рамках жилищных программ Тюменской области

14.12.2021

Первая в России беспилотная «Ласточка» может появиться в 2022 году

13.12.2021

В Екатеринбурге подведены итоги социальной акции «Говорящая книга»

13.12.2021

На строительство ледокольного танкера для «Арктик СПГ 2» выделено 890 млн рублей

13.12.2021

В Свердловской области появится департамент туризма и индустрии гостеприимства

13.12.2021

Синара купила у Газпромбанка бизнес технических газов

13.12.2021

Инвестиции новых резидентов «Титановой долины» превысят 1,25 млрд рублей

13.12.2021

Екатеринбург встретил Деда Мороза из Великого Устюга!

13.12.2021

Инвестиционный потенциал Трехгорного представят предпринимателям

13.12.2021

Поликлиники Екатеринбурга приостановили прием здоровых детей из-за роста больных ОРВИ

10.12.2021

Доля гражданской продукции в объеме производства ОПК может достичь в 2021 году 28%

10.12.2021

Сертификация двигателя ПД-35 должна начаться в 2027 году

10.12.2021

Экспортные пошлины на металлургическую продукцию продлевать не планируется

10.12.2021

«Синара» представила проект внутригородского пассажирского движения для Сербии «Белградские диаметры» стоимостью 1,2 млрд евро

10.12.2021

Грузоподъемность единственной ледовой переправы через Обь между Салехардом и Лабытнаги на Ямале увеличена до 15 тонн

10.12.2021

Вице-премьер РФ Юрий Борисов провел выездное совещание по диверсификации предприятий оборонки и снижения зависимости ТЭК от импортных технологий

10.12.2021

В уральских вузах начали вводить QR-коды, а в ТРЦ будут пускать подростков без родителей

10.12.2021