Новый кристаллический материал может удвоить эффективность солнечных батарей

Новый материал, недавно представленный исследователями из Университета Пердью и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) в США, показывает, что он способен генерировать в два раза больше электроэнергии, чем кремний — основной материал, который в настоящее время используется для изготовления солнечных панелей.

Ограничения кремниевых солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы имеют максимальную эффективность всего 33%.

Из-за большой ширины запрещённой зоны кремния очень немногие валентные электроны получают достаточно энергии от фотонов, чтобы стать свободными электронами. Кроме того, в кремнии время жизни этих свободных электронов очень короткое (всего около 1 пикосекунды, или 10-12 секунды), а расстояние, которое они проходят, составляет всего 10 нанометров.

Пройдя весь путь наверх, свободные электроны теряют всю энергию, принесённую фотонами (Солнцем). В результате эффективность кремниевых солнечных элементов очень низкая, поскольку большая часть получаемой световой энергии преобразуется в тепловую.

Раствор кристаллического материала перовскита

Чтобы преодолеть эту проблему, Либай Хуан, доцент кафедры химии в Университете Пердью, и его коллеги разработали новую технологию, основанную на микроскопии и быстрых лазерах, для отслеживания расстояния и скорости свободных электронов, переносящих энергию в кристаллической решетке.

Используя эту технологию, они смогли зарегистрировать свойства множества различных материалов. В конечном итоге учёные обнаружили материал, предварительно названный «гибридным перовскитом». Этот материал состоит из свинца (Pb), йода (I) и метиламмония (CH3NH3).

Кристаллическая структура гибридных перовскитных материалов.

Особенность материала заключается в том, что он имеет кристаллическую структуру, подобную перовскиту (CaTiO3) – соединению с уникальной структурой, состоящей из «клеток», окружающих свободные атомы, расположенные в центре. В гибридном перовските атомы Pb и I образуют «клетки», окружающие кластер CH3NH3, расположенный в центре. Именно эта структура перовскита позволяет свободным электронам преодолевать большие расстояния и дольше сохранять энергию, не теряя её.

Г-жа Хуан описала это более конкретно: «Расстояние, которое необходимо преодолеть свободным электронам, как минимум равно толщине солнечной панели (для генерации электроэнергии), около 200 нанометров. Именно такого значения может достичь новый перовскитный материал. Кроме того, эти электроны могут существовать до 100 пикосекунд, что в 100 раз дольше, чем у кремния».

Быстрые лазерные изображения показывают время жизни свободных электронов в кристаллической решетке.

Кай Чжу, соавтор отчёта из NREL, был воодушевлён результатами: «Это исследование показывает, что свободные электроны, переносящие энергию в стандартной тонкой кристаллической плёнке перовскита, могут перемещаться на расстояние, превышающее или равное толщине панели, что необходимо для создания эффективного солнечного элемента. Эта информация также показывает, что потенциал разработки солнечных элементов с использованием структур перовскита очень высок».

Однако одним из недостатков этого материала является использование свинца, токсичного для окружающей среды. Исследователи Университета Пердью сейчас пытаются разработать материал с аналогичной структурой перовскита, но без свинца. И наконец, последний шаг — усовершенствовать продукт. «Следующий шаг — найти или разработать подходящий материал или структуру с необходимыми уровнями энергии для извлечения этих свободных электронов и создания тока во вторичных цепях. Это будет непросто», — заключил Чжу.

По данным Khoahoc.tv