Новые устройства на солнечных батареях, которые дешевле и проще в изготовлении, могут вскоре выйти на рынок благодаря материалам, изготовленным в Имперском колледже Лондона.
Традиционные солнечные элементы изготавливаются из кремния, который обладает высокой эффективностью и стабильностью, но очень дорог в производстве и может быть изготовлен только в виде жестких панелей.
Перовскитные солнечные элементы предлагают интригующую альтернативу; их можно печатать из чернил, что делает их недорогими, тонкими, легкими, высокоэффективными и гибкими. Однако они отстают от кремниевых солнечных элементов с точки зрения эффективности и, что более важно, стабильности, разрушаясь при нормальных условиях окружающей среды.
Новые металлсодержащие материалы, называемые ферроценами, могут помочь решить эти проблемы. Исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) добавили ферроцены имперского производства в перовскитные солнечные элементы, значительно повысив их эффективность и стабильность.
Соавтор профессор Николас Лонг с химического факультета Imperial сказал: «Кремниевые элементы эффективны, но дороги, и нам срочно нужны новые устройства солнечной энергии, чтобы ускорить переход на возобновляемые источники энергии. Стабильные и эффективные перовскитные элементы могут в конечном итоге позволить использовать солнечную энергию в большем количестве приложений — от питания развивающихся стран до зарядки носимых устройств нового поколения.
«Наше сотрудничество с коллегами в Гонконге было очень удачным, оно возникло после того, как я выступил с докладом о новых соединениях ферроцена и встретился с доктором Цзунлун Чжу из CityU, который попросил меня прислать несколько образцов. Через несколько месяцев команда CityU сообщила нам, что результаты были впечатляющими, и попросила нас прислать больше образцов, начав исследовательскую программу, результатом которой стали более эффективные и более стабильные устройства из перовскита».
Перовскит образует «собирающий свет» слой солнечных батарей. Однако эти устройства менее эффективны в преобразовании солнечной энергии в электричество, чем солнечные элементы на основе кремния, в первую очередь потому, что электроны менее «мобильны» — они менее способны перемещаться из слоя сбора в слои преобразования электричества.
Ферроцены представляют собой соединения с железом в центре, окруженные сэндвичевыми кольцами углерода. Уникальная структура ферроцена была впервые обнаружена лауреатом Нобелевской премии Imperial профессором Джеффри Уилкинсоном в 1952 году, и ферроцены до сих пор исследуются во всем мире на предмет их уникальных свойств.
Одним из свойств, которое дает им их структура, является превосходное обогащение электронами, что в этом случае позволяет электронам легче перемещаться из слоя перовскита в последующие слои, повышая эффективность преобразования солнечной энергии в электричество.
Испытания, проведенные командой CityU и в коммерческих лабораториях, показывают, что эффективность перовскитовых устройств с добавленным слоем ферроцена может достигать 25%, приближаясь к эффективности традиционных кремниевых элементов.
Но это не единственная проблема, которую решили материалы на основе ферроцена. Команда Imperial экспериментировала с присоединением различных химических групп к углеродным кольцам ферроцена, и после отправки гонконгской команде нескольких их версий, сделанных аспиранткой Стефани Шеппард, сотрудники обнаружили версию, которая значительно улучшает присоединение ферроцена. слои перовскита к остальной части устройства.
Эта дополнительная мощность крепления улучшила стабильность устройств, а это означает, что они сохранили более 98% своей первоначальной эффективности после непрерывной работы на максимальной мощности в течение 1500 часов. Эффективность и стабильность, достигнутые благодаря добавлению слоя ферроцена, приближают эти устройства из перовскита к текущим международным стандартам для традиционных кремниевых элементов.
Ведущий исследователь доктор Цзунлун Чжу из CityU сказал: «Мы являемся первой командой, которая успешно повысила эффективность перевернутого перовскитового солнечного элемента до рекордно высокого КПД 25% и прошла тест на стабильность, установленный Международной электротехнической комиссией».
Команда запатентовала свой дизайн и надеется получить на него лицензию, в конечном итоге выведя на рынок свои устройства из перовскита. Тем временем они экспериментируют с различными конструкциями ферроцена, чтобы еще больше улучшить производительность и стабильность устройств.
