Прорыв в области гибридных перовскитных солнечных ячеек

В случае повреждения ячейки устройство улавливает большую часть свинца, предотвращая его выщелачивание в грунтовые воды и почвы. Используемые для этого пленки нерастворимы в воде

Исследователи сообщают о возможном прорыве в области гибридных перовскитных солнечных элементов. Их работа опубликована в журнале Nature [1].

Перовскитные солнечные элементы преобразуют свет в электричество. Они потенциально могут быть дешевле и проще в производстве, чем традиционные солнечные элементы на основе кремния, и, по крайней мере, в лабораторных условиях они демонстрируют сопоставимые уровни эффективности. Однако, остаются не решенными ряд ключевых вопросов, которые пока не позволяют рассматривать использование перовскитов в качестве конкурентоспособной коммерческой технологии.

Одной из основных проблем является использование свинца. Большинство гибридных солнечных батарей на основе перовскитов содержат растворенный в воде свинец, что вызывает опасения относительно потенциальной его утечки из поврежденных элементов.

Группа ученых разработала методику отделения свинца, используемого для изготовления, и минимизации потенциальной утечки токсичных веществ путем нанесения пленок, поглощающих свинец, на переднюю и заднюю части солнечного элемента.

«Токсичность свинца была одной из самых неприятных проблем завершающего этапа исследований в области солнечных батарей на основе перовскита». «Думается, что нашлось многообещающее решение».

«В случае повреждения ячейки устройство улавливает большую часть свинца, предотвращая его выщелачивание в грунтовые воды и почвы. Используемые для этого пленки нерастворимы в воде».

По словам ученых, в условиях серьезного повреждения солнечных элементов в лабораторных условиях пленки смогли поглотить 96% утечки свинца. Эксперименты показывают, что слои, поглощающие свинец, не оказывают негативного влияния на производительность ячейки или стабильность и продолжительность ее работы.

Перовскитные солнечные элементы названы так потому, что они используют класс кристаллических структур, сходных с минеральными, известными как перовскит. Соединение со структурой перовскита в этих солнечных элементах чаще всего представляет собой гибридный органический-неорганический материал на основе галогенида свинца.

Ученые начали изучать эти кристаллические структуры для использования в солнечных элементах только около десяти лет назад, и за это время эффективность преобразования солнечной энергии в них была значительно увеличена.

В то время как традиционные кремниевые солнечные элементы производятся с использованием точных процессов при высоких температурах, перовскиты могут быть получены с использованием химических растворов при температуре комнатной.

Разработанный «метод секвестрации на устройстве» может быть легко интегрирован в существующие конфигурации перовскитных солнечных элементов.

Прозрачная пленка, поглощающая свинец, наносится на проводящее стекло передней панели солнечного элемента. Секвестрационная пленка содержит сильные свинцово-связывающие группы фосфоновой кислоты, которые, тем не менее, не препятствует захвату ячейками света. На заднем металлическом электроде используется менее дорогая полимерная пленка, смешанная со свинцово-хелатирующими агентами, которая не нуждается в прозрачности.

«Эти материалы всегда имелись в наличии, но они никогда не использовались для этих целей». «Свет должен проникать в ячейку, чтобы поглощаться слоем перовскита, а лицевая пленка фактически действует как антиотражающий агент, лишь немного улучшая прозрачность».

Испытания на утечку свинца включали в себя разбивание и разрушение лицевого стекла ячеек размером 2,5х2,5 см и царапание задней стороны солнечных батарей лезвием бритвы, прежде чем погрузить их в воду.

«Стоит отметить, что продемонстрированный подход к секвестрации свинца также применим и к другим технологиям на основе перовскита, таким как твердотельное освещение, дисплеи и сенсорные приложения».

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2001-x

Источник: Northern Illinois University