Инженеры Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее сообщили о значительном продвижении в разработке солнечных элементов на основе халькогенида сурьмы — перспективного фотогальванического материала для солнечной энергетики нового поколения. Описание технологии опубликовано в журнале Nature Energy.
Команда смогла повысить эффективность солнечных элементов из халькогенида сурьмы до сертифицированного уровня 10,7%. Это наивысший показатель, независимо подтверждённый для данного материала на сегодняшний день. Достигнутый результат позволил впервые включить халькогенид сурьмы в международные Реестры эффективности солнечных батарей, где фиксируются рекордные показатели эффективности солнечных технологий по всему миру.
Как отмечают исследователи, ключевым достижением стала идентификация фундаментального химического механизма, лежащего в основе гидротермального метода осаждения материала. Понимание этих процессов позволило объяснить, почему предыдущие версии солнечных элементов демонстрировали более низкие показатели эффективности, и открыло возможности для дальнейшей оптимизации технологии.
Руководитель проекта профессор Сяоцзин Хао из Школы фотогальваники и возобновляемой энергетики университета пояснила, что одним из ключевых направлений развития отрасли сегодня являются тандемные солнечные элементы, в которых несколько слоёв поглощают разные участки солнечного спектра. В этом контексте халькогенид сурьмы рассматривается как потенциальный кандидат для верхнего слоя в паре с традиционными кремниевыми элементами.
Материал обладает рядом характеристик, представляющих интерес для промышленного применения. Он производится из относительно распространённых и недорогих элементов, является неорганическим и потому более устойчив к деградации, а также отличается высоким коэффициентом поглощения света. Для эффективного улавливания солнечного излучения достаточно слоя толщиной около 300 нанометров. Дополнительным преимуществом является возможность осаждения при низких температурах, что снижает энергозатраты при производстве и упрощает масштабирование технологии.
До последнего времени эффективность солнечных элементов на основе халькогенида сурьмы не превышала 10% и оставалась на этом уровне с 2020 года. В ходе нового исследования специалисты Университета установили, что основная проблема была связана с неравномерным распределением серы и селена в процессе синтеза. Это приводило к формированию энергетического барьера, затруднявшего перенос электрического заряда внутри элемента.
Первый автор работы Чэнь Цянь пояснил, что при более равномерном распределении элементов заряд может свободнее перемещаться через поглощающий слой, что повышает долю солнечной энергии, преобразуемой в электричество. Решением стало добавление небольшого количества сульфида натрия, стабилизирующего химические реакции при формировании активного слоя.
В лабораторных условиях такие элементы показали коэффициент преобразования энергии 11,02%. Независимая сертификация, проведённая CSIRO, подтвердила эффективность на уровне 10,7%. Учёные отмечают, что дальнейшее снижение числа дефектов в материале возможно с помощью химической пассивации.
Помимо применения в тандемных солнечных панелях, халькогенид сурьмы рассматривается и для других сценариев использования. Благодаря ультратонкости, полупрозрачности и высокой двусторонней чувствительности материал подходит для солнечных окон и архитектурных решений. Кроме того, его спектральные характеристики делают его перспективным для работы при искусственном освещении — в устройствах интернета вещей, датчиках, электронных бейджах и других автономных системах с низким энергопотреблением.
Авторы исследования сообщают, что в ближайшие годы планируют сосредоточиться на дальнейшей оптимизации структуры материала. По их оценке, достижение уровня эффективности около 12% в среднесрочной перспективе рассматривается как технически реализуемая задача.