Группа физиков из Оксфордского университета создала солнечную батарею из минерала перовскита. Устройство было построено практически таким же способом, как и обычные тонкопленочные кремниевые солнечные батареи, и их КПД также составил около 15%. Выяснилось, что при использовании перовскита не нужны нанополупроводники – новый тип ячейки способен проводить ток самостоятельно.
Как известно, основным материалом для создания современных солнечных ячеек является кремний – дешевый полупроводник, имеющийся в избытке. Тем не менее, КПД кремниевых солнечных батарей невысок, а процесс производства довольно ресурсоемок. В результате электроэнергия, генерируемая с их помощью, недешева.
В связи с этим ученые занимаются разработкой так называемых тонкопленочных солнечных ячеек, используя дешевые субстраты. К сожалению, такие устройства имеют дефекты, а потому их популярность невысока. Потому наука ищет способы построения тонкопленочных ячеек, используя не только кремний, но и другие материалы, лишенные присущих ему недостатков.
Исследователи из Оксфордского Университета (University of Oxford) в Великобритании создали тонкопленочную солнечную батарею, эффективность светопоглощения которой на 15% лучше других подобных устройств нового класса полупроводников, известных как перовскиты. Новые панели имеют простую конструкцию и могут быть легко произведены в больших количествах благодаря процессу осаждения, который уже применяется для создания солнечных батарей.
Новые панели состоят из перовскитов, нанесенных на пленку диоксида титана (TiO2). Когда слой перовскитов поглощает свет, генерируются электроны и дырки. Далее другие слои батареи, такие как диоксид титана, передают сгенерированные заряды и создают разницу потенциалов. Благодаря высокой плотности перовскитов, новые батареи имеют светопреобразующую эффективность 15%.
Исследование показало, что перовскиты не только хорошо поглощают свет, но также проводят и электроны и дырки. Новое открытие значит, что наноструктурная архитектура, ранее использовавшаяся в солнечных элементах из сенсибилизированных красителей, более не нужна. Это значительно упрощает дизайн устройства. Теперь светопоглощающие перовскиты просто зажаты между электронно-селективными и дырко-селективными электродами, что очень похоже на обычные плоские солнечные батареи.
«Наши устройства имеют высокую эффективность превращения света в электричество – 15,4%, а также большое напряжении – 1,07 В, и это все в солнечной панели, в которой толщина слоя светопоглощающего перовскита равна 330 нм», объясняет Michael Johnston. «Это значит, что нам нужно совсем немного перовскитов для создания солнечных батарей с хорошими свойствами». Для сравнения, обычные кристаллические кремниевые элементы значительно толще – 0,15 мм, и напряжение, производимое этими панелями всего 0,7 В.
Согласно исследователям, новые устройства должны быть дешевыми, ведь в их производстве нет ничего сложного и эти процессы совместимы с уже существующими производственными инфраструктурами. А поскольку перовскитные панели и кремниевые поглощают свет в разных частях электромагнитного спектра, оба материала могут быть использованы вместе в тандемных элементах. «Перовскитный верхний слой будет поглощать высокоэнергетические фотоны, а нижний кремниевый слой – низкоэнергетические частицы», объясняет Michael Johnston. Такие батареи должны быть еще более эффективны.
В настоящее время ученые и Оксфордского Университета заняты оптимизацией процессов осаждения перовскитов и дизайном устройств. «Я думаю, что в ближайшем будущем мы увидим значительных рост эффективности таких устройств», говорит Michael Johnston. «Исследования в области фундаментальной фотофизики перовскитов будут особенно интересны, а также помогут нам ускорить развитие нашей работы».
Разработчики считают, что при массовом производстве фотоэлементы на основе перовскитов могут стоить в пределах 150 долларов за киловатт мощности — против 600 долларов у современных кремниевых.
Создание ферм на солнечных батареях из перовскита – это гигантский шаг в развитии Альтернативной энергетики.