Дослідники Каунаського технологічного університету (KTU) разом з міжнародними партнерами зробили значний прорив у розвитку перовськітних тандемних сонячних елементів. Їм вдалося підвищити коефіцієнт корисної дії пристроїв до понад 29%, змінивши молекулярний шар, що переносить позитивні носії заряду.
Як працює сонячний елемент: від теорії до практики
Каспарас Ракштіс, дослідник KTU, пояснює принцип роботи таким чином: «Якщо говорити просто, сонячну батарею можна уявити як багатошаровий сендвіч, у якому кожен шар виготовлений із різного матеріалу та виконує певну функцію». Для ефективної роботи всі ці шари мають бути ідеально з’єднані між собою.
Перовськітні сонячні елементи являють собою тонкоплівкові фотоелектричні (PV) пристрої, які вважаються перспективною енергетичною технологією. Вони мають низку переваг:
- легкі та гнучкі конструкції
- відносно дешеві у виробництві
- використовують різні світлопоглинальні шари для захоплення ширшої частини сонячного спектра
Однак такі пристрої мають і недоліки. Вологість, кисень та тепло можуть суттєво погіршувати їхні характеристики. Проблеми на межі між шарами прямо впливають на продуктивність елемента.
Проблема традиційних молекулярних шарів
До недавнього часу вчені використовували самоорганізовані моношари (SAM), представлені у 2018 році. Ці молекулярні шари переносять позитивні носії заряду до електрода, проте мають суттєвий недолік. За словами Ракштіса, кислотна природа цих молекул поступово спричиняє корозію сусідніх шарів, створюючи дефекти на межі, які перешкоджають перенесенню заряду. В результаті ефективність тандемних сонячних елементів із часом знижується, а термін експлуатації скорочується.
Революційне рішення: від кислот до солей
Рішення виявилося простим, але ефективним. Дослідники вирішили змінити молекулярну групу, відповідальну за зв’язування з шаром оксиду металу. Замість традиційної кислотної форми вони хімічно перетворили молекули на нейтральні іонні солі.
Сольові молекули забезпечили кілька переваг. Вони зв’язуються з поверхнями оксидів металів так само міцно, як і раніше, однак розчиняються у воді. Це означає, що молекулярний шар можна наносити без використання токсичних розчинників. Невеликої товщини лише в кілька нанометрів виявилося достатньо, щоб суттєво підвищити ефективність проходження зарядів через пристрій.
«У цьому дослідженні ми просто нейтралізували кислотні молекули, перетворивши їх на хімічно нейтральні солі, створивши неагресивний інтерфейс, який дає змогу сонячному елементу працювати набагато стабільніше та ефективніше», — заявив Ракштіс.
Комерційна готовність технології
Щоб перевірити практичну застосовність інновації, дослідники співпрацювали з партнерами. Вони продемонстрували, що метод працює на модулях великої площі, забезпечуючи рівномірне та високоякісне покриття. Випробування перовськітних тандемних сонячних елементів підтвердили досягнення ефективності перетворення енергії понад 29% — одного з найвищих показників, про які повідомлялося на сьогодні.
Команда вже подала патентну заявку та активно рухається у напрямку комерційного використання. Технологія має потенціал для створення універсальних сонячних пристроїв, інтегрованих у фасади будівель, вікна та текстиль. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Communications.
