Немецкая исследовательская группа разработала тандемный солнечный элемент, эффективность которого достигает 24 процентов, что измеряется в соответствии с долей фотонов, преобразованных в электричество (т.е. электронов). Это устанавливает новый мировой рекорд как самая высокая эффективность, достигнутая до сих пор с этой комбинацией органических поглотителей и поглотителей на основе перовскита. Солнечный элемент был разработан группой профессора доктора Томаса Ридла из Университета Вупперталя вместе с исследователями из Института физической химии Кельнского университета и другими партнерами по проекту из университетов Потсдама и Тюбингена, а также Центра Гельмгольца в Берлине.
Традиционные технологии солнечных элементов преимущественно основаны на полупроводниковом кремнии и в настоящее время считаются «настолько хорошими, насколько это возможно». Вряд ли можно ожидать значительного повышения их эффективности, т. е. большего количества ватт электроэнергии на ватт собранного солнечного излучения. Это делает еще более необходимой разработку новых солнечных технологий, которые могут внести решающий вклад в энергетический переход. В этой работе были объединены два таких альтернативных поглощающих материала. Здесь использовались органические полупроводники, представляющие собой соединения на основе углерода, способные проводить электричество при определенных условиях. Они были соединены с перовскитом на основе соединения свинца и галогена с превосходными полупроводниковыми свойствами.
Поскольку солнечный свет состоит из различных спектральных компонентов, то есть цветов, эффективные солнечные элементы должны преобразовывать как можно больше этого солнечного света в электричество. Этого можно добиться с помощью так называемых тандемных ячеек, в которых в солнечном элементе объединены разные полупроводниковые материалы, каждый из которых поглощает разные диапазоны солнечного спектра. В текущем исследовании органические полупроводники использовались для ультрафиолетовой и видимой частей света, в то время как перовскит может эффективно поглощать ближний инфракрасный диапазон. Подобные комбинации материалов уже исследовались в прошлом, но теперь исследовательской группе удалось значительно повысить их эффективность.
В начале проекта лучшие в мире тандемные элементы из перовскита и органики имели КПД около 20 процентов. Под руководством Университета Вупперталя кельнские исследователи вместе с другими партнерами по проекту смогли увеличить это значение до беспрецедентных 24 процентов. «Чтобы достичь такой высокой эффективности, потери на границах между материалами внутри солнечных элементов должны были быть сведены к минимуму», — сказала доктор Селина Олтхоф из Института физической химии Кельнского университета. «Чтобы решить эту проблему, группа в Вуппертале разработала так называемое межсоединение, которое электронно и оптически соединяет органический элемент и элемент перовскита».
В качестве межсоединения в солнечный элемент был интегрирован тонкий слой оксида индия толщиной всего 1,5 нанометра, чтобы минимизировать потери. Исследователи из Кёльна сыграли ключевую роль в оценке энергетических и электрических свойств интерфейсов и межсоединений, чтобы выявить процессы потерь и оптимизировать компоненты. Моделирование, проведенное группой из Вупперталя, показало, что при таком подходе в будущем можно будет получить тандемные ячейки с эффективностью более 30 процентов.
