Joule: Ученые успешно испытали тандем перовскита и кремния в солнечных батареях

Несмотря на то, что традиционные солнечные элементы на основе кремния оказали неоспоримое влияние на создание возобновляемых источников энергии во всем мире, дополнительное улучшение их характеристик становится все более затруднительным по мере приближения к пределу их практической эффективности.

Это обстоятельство побудило ученых искать новые технологии, которые можно было бы использовать в сочетании с кремниевыми элементами для достижения более высокого КПД.

Солнечные элементы на основе кристаллов перовскита — одна из таких технологий, которая быстро стала привлекательным недорогим дополнением, но перовскитовые элементы, как известно, чувствительны к изменениям напряжения — тень от нависающей ветки дерева или близлежащего растения может вывести из строя весь модуль в течение нескольких минут.

Теперь исследователи из Принстонского университета и Университета науки и технологий им. короля Абдаллы (KAUST) соединили хорошо зарекомендовавшие себя кремниевые солнечные элементы с перспективными перовскитовыми в тандемный солнечный элемент, что позволило не только повысить общую эффективность, но и укрепить стабильность. Результаты, опубликованные в журнале Joule 5 сентября, показывают, что соединение защищает хрупкий перовскитовый солнечный элемент от пробоя под действием напряжения и обеспечивает более высокий КПД, чем тот, которого может достичь каждый из элементов в отдельности.

Тандемные солнечные элементы уже продемонстрировали эффективность преобразования энергии, которая выше, чем у кремниевых или перовскитовых солнечных элементов, — сказал Барри Рэнд, руководитель исследования, профессор кафедры электротехники и компьютерной инженерии и Центра энергетики и окружающей среды имени Андлингера.

Мы полагали, что помимо более высокой эффективности тандемные солнечные элементы смогут решить и некоторые проблемы стабильности перовскитов, соединив их с кремниевыми элементами, которые гораздо более стабильны.

Для проверки своей гипотезы исследователи построили три нити солнечных элементов: одну, содержащую только кремниевые солнечные элементы, другую — только перовскиты, и третью, состоящую из тандемных солнечных элементов, в которой две технологии были соединены последовательно. Затем исследователи затеняли одну из ячеек, имитируя условия частичного затенения, с которыми солнечная батарея может столкнуться хотя бы раз за десятилетия своего существования.

Частичное затенение обычно означает гибель для перовскитов, поскольку все еще освещенные ячейки заставляют заряд протекать через затененную и неактивную ячейку, что приводит к быстрой деградации как ее, так и всего модуля. Кремниевые солнечные элементы, напротив, гораздо более устойчивы к перепадам напряжения и могут переносить периоды частичного затенения с меньшими проблемами.

Как и ожидалось, солнечный модуль только на основе перовскита быстро разрушился после частичного затенения, в то время как на кремниевый солнечный модуль это повлияло лишь минимально. Интересно, однако, что тандемный солнечный модуль оказался столь же устойчивым, как и кремниевый, что говорит о том, что соединение двух солнечных технологий позволило кремниевому элементу замаскировать хрупкость перовскита.

Когда вы соединяете два разных материала для получения конечного продукта, обычно именно самое слабое звено определяет общую прочность цепи, — сказал соавтор исследования Стефан-де Вольф, профессор материаловедения и инженерии KAUST.

Но в данном случае именно более сильный компонент защитил более слабый.

По словам исследователей, полученные ими результаты свидетельствуют о том, что частичное затенение, которое было основным препятствием для модулей только на основе перовскита, может быть незначительной проблемой для последовательно соединенных тандемных солнечных устройств.

Команда также заявила, что полученные результаты благоприятно сказываются на перспективах коммерциализации перовскитов, поскольку они означают, что перовскиты могут иметь наибольший потенциал при использовании в сочетании с кремниевыми солнечными элементами, для которых уже существует развитая производственная экосистема. Вместо того чтобы создавать конкурирующий производственный процесс, перовскиты можно добавить к уже отработанному коммерческому процессу производства кремниевых солнечных элементов.

Несмотря на то, что, по мнению специалистов, для достижения срока службы тандемных солнечных элементов, ожидаемого от коммерческих солнечных технологий, помимо частичного затенения, еще предстоит решить ряд проблем, таких как низкая устойчивость к нагреву, они считают, что тандемные устройства могут позволить продолжить исследования в области солнечной энергетики после того, как кремниевые солнечные элементы достигнут верхнего предела эффективности преобразования энергии.

Если удастся решить некоторые другие проблемы стабильности, то тандемные солнечные элементы могут, по сути, взять уже успешную коммерческую технологию и сделать ее еще лучше, — сказал Рэнд.

Полученные нами результаты убедительно доказывают, что тандемные устройства должны стать одним из приоритетных направлений будущих исследований в области солнечной энергетики.

05.09.2023