Графен помог повысить стабильность перовскитовых элементов

29.09.2017, 03:41 Наука

Перовскитовые солнечные элементы (PSC) могут обеспечить высокую эффективность преобразования света при низких производственных издержках. Но, чтобы быть коммерчески жизнеспособными, пленка из перовскита должна быть долговечной и не ухудшаться с течением времени.

Команда исследователей EPFL значительно улучшила стабильность устройств PSC, сохранив более 95% первоначальной эффективности при освещении солнечным светом при 60 градусах в течение более 1000 часов. Прорыв, который отмечает самую высокую стабильность для перовскитных солнечных элементов, достигнут учеными во главе с Михаэлем Гретцелем.

Обычные кремниевые солнечные элементы достигают эффективности около 25%, однако проблемы дорогостоящего производства, большого веса и жесткости остаются в значительной степени неразрешенными. Напротив, относительно новая фотоэлектрическая технология, основанная на перовскитах, уже достигла более 22% эффективности. Учитывая огромную гибкость в отношении химических веществ и недорогостоящую переработку этих материалов, PSC обещают возглавить будущее фотогальванической технологии, предлагая недорогие, легкие и высокоэффективные солнечные элементы.

Тем не менее, высокозатратные, прототипные органические материалы, транспортирующие дыры (HTM, выборочно переносящие положительные заряды в солнечном элементе), смогли достичь эффективности преобразования энергии более чем на 20%, но благодаря своим ингредиентам, эти материалы отрицательно влияют на долгосрочную эксплуатационную стабильность PSC. Среди различных неорганических HTM, тиоцианат меди (CuSCN) выделяется как стабильный, эффективный и дешевый кандидат, но предыдущие попытки использовать его в качестве дырочного транспортера в перовскитных элементах дали лишь умеренно стабилизированную эффективность и слабую стабильность устройства из-за проблем, связанных с осаждением высококачественного слоя CuSCN поверх пленки перовскита, а также химической нестабильностью слоя CuSCN при интегрировании в солнечный элемент.

Гретцель с коллегами нашли способы, с помощью которых можно преодолеть основные недостатки перовскитных солнечных элементов на основе CuSCN. Во-первых, они разработали простой динамический метод на основе раствора для осаждения слоев CuSCN толщиной 60 нм, что позволяет изготавливать перовскитные солнечные элементы со стабилизированной эффективностью преобразования энергии более 20%. Это сопоставимо с эффективностью самых эффективных, современных перовскитовых солнечных элементов на основе spiro-OMeTAD.

Во-вторых, они ввели тонкий разделительный слой оксида графена между CuSCN и слоем золота. Это позволило достичь отличной эксплуатационной стабильности устройств, сохранив более 95% от их начальной эффективности при работе в максимальной точке мощности в течение 1000 часов при освещении при полном солнечном освещении при 60 °C. Это превосходит стабильность органических перовскитных солнечных элементов на основе HTM, которые в значительной степени исследованы и в последнее время доминируют в этой области.

Исследователи также обнаружили, что неустойчивость перовскитных устройств обусловлена деградацией контакта между CuSCN и золотом во время работы солнечных элементов. «Это крупный прорыв в исследовании перовскитных солнечных батарей, открывающий путь для крупномасштабного коммерческого развертывания этой очень перспективной фотоэлектрической технологии», — говорит Гетцел.