Десятилетие исследований перовскитных солнечных элементов

Структура перовскитов с галогенидами свинца позволяет им достигать полупроводниковых свойств, необходимых для сбора световой энергии. В типичных устройствах перовскитная пленка находится между материалами p-типа и n-типа, образующими соединения «штырь-гнездо». В такой геометрии перовскита фотоны возбуждают электроны и дырки, а образованное электрическое поле направляет их к электродам p-типа и n-типа соответственно

XXI век вносит существенные изменения в то, каким образом человечеству необходимо относиться к потреблению энергии и природным ресурсам. Сейчас очень важна разработка новых, экологически чистых методов производства электроэнергии. Благодаря использованию ветряных турбин, гидроэлектростанций и фотоэлектрических элементов, за 2019 год общее производство возобновляемой энергии в мире достигло 2800 тераватт-часов, что примерно в 6 раз больше, чем 10 лет назад.

Поскольку спрос на возобновляемые источники энергии растет, исследования новых, более совершенных методов ее сбора продолжаются. Одним из ярких примеров, относящимся к новым подходам по сбору солнечного света и преобразованию его в электричество, является использование перовскитных солнечных элементов.

Метод, впервые предложенный в 2009 году Кодзимой и соавторами, за последние несколько лет пережил бурное развитие. Популярность идеи растет из года в год. Только в 2018 году число цитирований этой темы в различных статьях по миру достигло почти 2000.

Технология использования перовскитов для преобразования света в электричество

Перовскитные солнечные элементы были впервые представлены в 2009 году в качестве альтернативного и коммерчески привлекательного способа изготовления фотоэлектрических устройств. Тогда они демонстрировали эффективность, равную примерно 3,8%. За последнее десятилетие производительность солнечных элементов поднялась до 25% при использовании обычной перовскитной технологии и до 29,1% для тандемных устройств (силикон-перовскит).

Рис. Кристаллическая структура перовскита с галогенидами свинца. Тёмно-голубой шар представляет собой катион - A; белые шары - это атомы свинца - B; красные шары представляют собой галогенные анионы - X. Предоставлено: Orci, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

Выдающиеся результаты, полученные за последние 10 лет в области исследования перовскитов, сопоставимы с примерно 50-летним периодом достижений в сфере монокристаллических силиконовых устройств. Основные преимущества технологии использования перовскитов заключаются в способе их производства, гибком химическом составе и расположении атомов в кристаллической решетке.

Хотя перовскиты представляют собой широкую категорию материалов, когда речь заходит о фотоэлектрических устройствах, обычно подразумеваются перовскиты с галогенидами свинца. Они имеют общую формулу - ABX₃, где A - катион (обычно CH₃NH₃), B - катион двухвалентного металла (обычно свинец), а X - анион галогена.

Структура перовскитов с галогенидами свинца позволяет им достигать полупроводниковых свойств, необходимых для сбора световой энергии. В типичных устройствах перовскитная пленка находится между материалами p-типа и n-типа, образующими соединения «штырь-гнездо». В такой геометрии перовскита фотоны возбуждают электроны и дырки, а образованное электрическое поле направляет их к электродам p-типа и n-типа соответственно.

Хотя имеющиеся характеристики перовскита позволяют ему служить средой для генерации фототока, они не объясняют, почему в нем достигается такая высокая эффективность преобразования фотонов и напряжения в электрический ток. Хотя некоторые недавние результаты предполагают, что за эти выдающиеся свойства может быть ответственна связь фотонов и колебаний кристаллической решетки (фононов). Однако по этому поводу продолжаются постоянные дебаты, и для правильного понимания происходящих процессов необходимы дополнительные теоретические изыскания и изучение характеристик материалов.

Перовскиты, в отличие от традиционных кристаллических полупроводников, таких как кремний, имеют ионную кристаллическую структуру, которая позволяет легко изменять состав кристалла. Это свойство позволяет разрабатывать очень специфические материалы, которые поглощают свет в определенных диапазонах длин волн, например, изменяя содержание I и Br в галогениде свинца метиламмония (CH₃NH₃Pb(BrₓI₁₋ₓ)₃₋ᵧClᵧ, 0 ≤ x ≤ 1) и галогениде свинца формамидиния (HC(NH₂)₂PbBr₁₋ᵧIᵧ, 0 ≤ y ≤ 1), можно получить смещение границы поглощения до диапазона от 550 нм до 800 нм.

Производство солнечных элементов на основе перовскита кажется намного более простым процессом, чем традиционное производство кристаллов кремния. Последний требует узкоспециализированного процесса, в котором материал плавится при 1400 ⁰C и вытягивается методом Чохральского. Когда процесс кристаллизации завершен, наступают следующие этапы обработки материала, такие как резка и полировка, прежде чем он будет готов к работе. Все эти технологические операции делают весь процесс дорогостоящим.

Технология изготовления перовскита позволяет использовать высушивание раствора, нанесение покрытия центрифугированием, струйную печать или точное распыление. Эти методы позволяют снизить стоимость производства материала и упростить создание гибких фотоэлектрических элементов за счет более низких требований к их качеству. Получается, что в кристаллической структуре перовскита можно допустить наличие большего количества дефектов, а получаемый материал обычно является поликристаллическим, в отличие от метода Чохральского, где выращиваются чистые монокристаллы.

Перовскитные солнечные элементы продолжают привлекать внимание энергетической отрасли и их массовое производство должно начаться уже в 2021 году.

Источник: Stanford University