Перовскитные солнечные элементы с повышенной эффективностью разработали физики ИТМО, Алферовского университета совместно с зарубежными коллегами. Улучшить характеристики солнечных батарей удалось с помощью полупроводников в виде нитевидных нанокристаллов. Предложенная технология открывает новые возможности в создании солнечных электростанций и оптических устройств нового поколения.
Солнечные батареи из перовскита в обозримом будущем могут заменить привычные солнечные панели из кремния. Они достаточно просты в изготовлении, при этом способны вырабатывать то же количество электроэнергии с одной и той же площади, что кремниевые. Максимальное значение КПД, которое сегодня удалось достичь ученым, — около 25%. Чтобы повысить эффективность, чаще всего в состав перовскитных пленок включают дополнительные вещества, например наноматериалы.
Российские и итальянские исследователи провели эксперименты с достаточно новым и перспективным классом соединений A3B5 — полупроводниковыми материалами. Это нитевидные нанокристаллы, по своей структуре напоминающие наноиголки. Среди других проводников их выделяют подходящие электрофизические свойства: они отлично поглощают свет, имеют низкие оптические потери, оптимальную теплопроводность и участвуют в переносе зарядов. Для перовскитных солнечных батарей эти вещества использовались впервые. Благодаря им ученые смогли увеличить эффективность преобразования света в электричество с 17% до 18,8%.
«Мы отобрали подходящие для перовскитов полупроводники класса А3В5. Затем в ходе расчетов и экспериментов выбрали самый оптимальный вариант по составу, толщине и длине нитевидных кристаллов — фосфид галлия. Эти нанонити мы добавили в состав перовскитных солнечных элементов. Если посмотреть под микроскопом, кристаллы на устройствах будут выглядеть как разбросанные короткие волоски. Объединение двух разных полупроводников (перовскит+A3B5), позволило получить солнечный элемент, который способен вырабатывать в конечном итоге больше электроэнергии. Такой эффект удалось получить за счет оптимизации транспорта зарядов: введенные нанокристаллы выполняют функцию каналов проводимости для образовавшихся под действием света свободных зарядов», — рассказывает Александра Фурасова, первый автор проекта, младший научный сотрудник физического факультета ИТМО.
По словам авторов проекта, 18,8% — это не предел эффективности гибридных солнечных батарей. Они планируют продолжить эксперименты и с другими полупроводниками A3B5, чтобы найти тот, который позволит получить максимальный КПД. Исследование ученых поможет в создании многопереходных солнечных элементов (несколько солнечных элементов, объединенных в один, каждая часть из которого поглощает определенную часть солнечного спектра). Такие устройства в будущем можно будет использовать для выработки электричества в космосе, а также развития автономных маломощных гаджетов (например, беспроводных сенсоров, датчиков).
Проект поддержан Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Российским научным фондом. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале.