Российские физики подняли КПД перовскитных солнечных батарей до рекордных 19 процентов

Физики из России и Италии повысили КПД наиболее распространенного типа перовскитных солнечных батарей — на основе иодида метиламмония и свинца — до рекордных 18,8 процента, добавив в них кремниевые наночастицы. Предложенный учеными способ модификации прост и дешев, а в будущем поможет увеличить КПД перовскитных батарей еще на несколько процентов. Статья опубликована в Advanced Optical Materials, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Впервые внимание на перовскитные солнечные батареи обратили в 2009 году, когда группа ученых под руководством Акихиро Кодзимы (Akihiro Kojima) и Цутому Миясака (Tsutomu Miyasaka) изготовила первый солнечный элемент на основе металл-органических соединений. В качестве рабочего материала этого элемента использовался иодид метиламмония и свинца (CH3NH3PbI3), кристаллическая структура которого совпадает с минералом перовкситом; это и дало название новому устройству. КПД первых батарей не превышал четырех процентов — это было в десятки раз меньше КПД кремниевых батарей, однако для «сырой», не оптимизированной технологии значение было необычно большим. Кроме того, такие батареи были очень дешевы в производстве. Поэтому новая технология стала быстро развиваться, и к 2015 году эффективность перовскитных батарей на базе йодида свинца и йодида формамидиния достигла 20 процентов, практически сравнявшись с обычными кремниевыми батареями. В настоящее время она превышает 22 процента. Теоретически, КПД перовскитных батарей можно довести даже до 60 процентов, хотя на практике получить такой результат пока еще не удавалось.

Ключевую роль в работе перовскитной батареи играет поглощающий слой, от толщины которого зависят основные характеристики элемента. С одной стороны, тонкий слой плохо поглощает солнечную энергию, но хорошо проводит и разделяет образующиеся квазичастицы (электроны и дырки). С другой стороны, толстый слой имеет большое сопротивление, но хорошо поглощает свет. Таким образом, существует толщина, при которой эффективность необработанной перовскитной батареи максимальна. Например, КПД «чистой» оптимизированной батареи из иодида метиламмония и свинца — самого хорошо изученного и самого распространенного в этой области материала — составляет 17,7 процента. Добавляя в батарею золотые или серебряные наночастицы, удается повысить ее КПД до 18,2 процентов, а фактор заполнения (fill factor) — до 75,5 процентов, что является своеобразным рекордом (более высокие результаты получены с помощью других материалов). К сожалению, такие наночастицы вступают в химические реакции с иодом и имеют высокие оптические потери. Это ограничивает применение «улучшенных» батарей на практике.

Группа ученых под руководством Альдо Ди Карло (Aldo Di Carlo) из Римского университета Тор Вергата и Олега Макарова из Международной лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники ИТМО поставила новый рекорд эффективности перовскитных батарей на основе иодида метиламмония и свинца, добавляя в них специальным образом спроектированные кремниевые наночастицы. Используя теорию рассеяния света на сферической частице (теория Ми), физики подобрали размер наночастиц таким образом, чтобы они «удерживали» свет в перовскитном слое — вступали в резонанс с падающим излучением и перераспределяли его энергию, чтобы она как можно эффективнее поглощалась материалом. Оказалось, что выгоднее всего добавлять в прибор частицы диаметром порядка 140–160 нанометров — эффективность их рассеяния максимальна для длины волны около 500 нанометров, отвечающей зеленому излучению, которое ярче всего представлено в солнечном излучении. Изготовить такие частицы сравнительно легко — достаточно сфокусировать лазерное излучение на кремниевой пластинке, помещенной в толуол (laser ablation of a silicon wafer in toluene).

1/3 Затем ученые намазали получившийся коллоидный раствор наночастиц между перовскитным слоем и прижатым к нему слоем диоксида титана, а затем «отожгли» устройство и скрепили его слои. В результате КПД построенной батареи составило примерно 18,8 процентов, а фактор заполнения — 79 процентов. Это наилучшие показатели для батареи на основе иодида метиламмония и свинца. Кроме того, авторы статьи отмечают, что предложенный ими способ эффективности можно легко реализовать на практике, а потому он очень дешев.

В будущем ученые собираются применить разработанную технологию уже на «рекордных» батареях, имеющих КПД около 22 процентов в необработанном виде. Если исследователям удастся повысить эффективность этих батарей хотя бы на процент, это будет уже настоящим прорывом.

К сожалению, перовскитные батареи не только эффективны и дешевы в производстве, но и сравнительно недолго живут: даже самые лучшие образцы могут проработать не более 1500 часов. Тем не менее, ученые уже пытаются бороться с этим недостатком — например, снимают внутреннее напряжение, добавляют в структуру фторированный графен или совмещают перовскиты с обычными кремниевыми батареями. Впрочем, даже с учетом такой короткого срока службы польский стартап Saule Technologies обещает запустить коммерческое производство перовскитных батарей уже к концу текущего года.

Прочитать про работу ученых из ИТМО, работающих в развивающихся областях современной физики, можно в нашем материале «Большинство открытий пока еще не сделаны». В частности, в этом материале подробно рассказывается про исследования, проводимые в лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники.