Модификатор для повышения эффективности перовскитных солнечных батарей

Название MXenes отражает процесс создания материалов. Они производятся путём травления и отшелушивания атомарно тонких слоев предварительно нанесённого алюминия на слоистые карбиды (MAX phases). MAX phases - слоистые шестиугольные карбиды и нитриды

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» представил улучшенную версию солнечных батарей на основе перовскитов. Ученые модифицировали фотоэлементы на основе перовскитов максенами (MXenes) - тонкими двумерными карбидами титана с высокой электропроводностью. Полученный фотомодуль показал превосходные характеристики с эффективностью преобразования солнечного света, превышающей 19% (аналоги дают 17%), и улучшенной стабильной выходной мощностью. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале NANO ENERGY [1].

Перовскитные пленочные фотоэлементы - активно развивающаяся во всем мире технология альтернативной энергетики. Солнечные батареи из перовскитов можно печатать на специальных струйных или матричных принтерах без применения вакуумных процессов. Это снижает стоимость перовскитных устройств по сравнению с традиционными кремниевыми.

Другими их преимуществами являются гибкость (фотоэлемент можно изготавливать на подложках из ПЭТ - лавсана - обычного материала для изготовления пластиковых бутылок) и компактность, за счет которых пленочные фотомодули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол для создания автономного обогрева, либо независимого электропитания.

Перовскитный модуль имеет слоеную структуру, внутри которой происходит процесс сбора электронов и преобразование солнечного излучения в электрическую энергию. Толщина этих слоев очень тонкая - от 10 до 50 нанометров, а все вместе они тоньше человеческого волоса. Чем меньше энергозатрат происходит в процессе электронного перемещения внутри перовскитного материала, тем эффективнее работает весь модуль.

Научная группа физиков НИТУ «МИСиС» и Университета Тор Вергата (Милан, Италия) доказали экспериментально, что небольшая добавка максенов на основе карбида титана в светопоглощающие слои перовскита улучшает процесс электронного перемещения и оптимизирует работу батареи.

Название MXenes отражает процесс создания материалов. Они производятся путём травления и отшелушивания атомарно тонких слоев предварительно нанесённого алюминия на слоистые карбиды (MAX phases). MAX phases - слоистые шестиугольные карбиды и нитриды.

«В работе мы демонстрируем полезную роль легирования MXenes как для фотоактивного слоя, так и для слоя переноса электронов в транспортных слоях фуллеренов перовскитных солнечных элементов на основе оксида никеля, - рассказала соавтор исследования, сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС», аспирант Анастасия Якушева. Добавление максенов позволяет, с одной стороны, легко настраивать выравнивание уровней энергии на границе перовскит / фуллерены, а с другой - контролировать концентрацию дефектов в структуре ячейки, что, в свою очередь, улучшает сбор фототока».

«Использование двумерных материалов, таких как MXenes, для настройки свойств солнечных элементов, обладает универсальными свойствами и может применяться в перовскитных солнечных элементах различной архитектуры. Дальнейшее развитие технологии подразумевает ее использование при изготовлении крупномасштабных прототипов перовскитных модулей, таких как устройств BIPV, а также накопителей энергии для внутреннего освещения», - подчеркнул руководитель проекта, профессор НИТУ «МИСиС» и Римского университета Тор Вергата Альдо ди Карло.

Предлагаемый разработчиками подход может быть легко масштабирован до формата модулей и панелей большой площади, поскольку легирование перовскитов MXenes (максенами) не меняет технологию их производства, осуществляется только на первичном этапе приготовления растворов и не влияет на окончательную архитектуру модуля.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105771

Источник: НИТУ «МИСиС»