Солнечная энергия является самой быстрорастущей энергетической технологией, причем с большим отрывом. В 2023 году в мире было произведено более чем в два раза больше новой электроэнергии из солнечной энергии, чем из угля. Фактически, согласно недавнему отчету, солнечная и ветровая энергия растут быстрее, чем любой другой источник электроэнергии в истории.

Во многом этот обнадеживающий прорыв в солнечной энергетике произошел благодаря кремнию. Этот полупроводник составляет до 95% всех солнечных панелей в мире. Однако для производства солнечных элементов с высоким КПД (более 25%) требуется чистый кремний, нагретый до температуры более 900 градусов Цельсия для устранения дефектов. Он также имеет фиксированную ширину запрещенной зоны (диапазон света, который он может поглощать), что не идеально.

Новый материал для солнечных батарей

Напротив, перовскит (минерал из оксида кальция и титана) гораздо лучше поглощает свет, чем кристаллический кремний, и его даже можно «настроить» на использование областей солнечного спектра, в значительной степени недоступных для кремниевых фотогальваники. Перовскит гораздо лучше переносит дефекты и может хорошо работать с примесями и дефектами. Перовскиты также можно производить более легко и гибко. Теоретически солнечные панели из этого минерала могут быть намного дешевле, чем их кремниевые аналоги.

В последние годы эффективность этих ячеек резко возросла: с 3% в 2009 году до более 25% сегодня. Этот скачок в эффективности привлек внимание как исследователей, так и лидеров отрасли, вселяя надежды на будущее, основанное на перовскитах.

Проблема в том, что природный перовскит встречается редко, в то время как синтетические версии перовскита имеют мимолетную долговечность, измеряемую месяцами. Кроме того, перовскит довольно хрупок, подвержен химическим и термическим повреждениям.

Но прорыв в Университете Райса может, наконец, склонить чашу весов в пользу перовскита, чтобы свергнуть доминирование кремния в солнечном секторе. Новое исследование освещает новый метод синтеза йодида свинца формамидиния (FAPbI3) — типа кристалла, который в настоящее время используется для изготовления самых эффективных перовскитных солнечных элементов — в ультрастабильные, высококачественные фотоэлектрические пленки. Эти пленки продемонстрировали замечательную стабильность: эффективность снизилась всего на 3% после более чем 1000 часов работы при температуре 85 градусов Цельсия. Эта высокая температура обычно приводит к разрушению солнечных элементов на основе йодида формамидиния.

«На данный момент мы считаем, что это самый современный уровень стабильности», — сказал инженер Райс Адитья Мохите, один из самых опытных исследователей перовскитов в мире. «Солнечные элементы из перовскита обладают потенциалом совершить революцию в производстве энергии, но достижение долгосрочной стабильности было серьезной проблемой».

Стабильность перовскитных солнечных элементов

Ключом к этому прорыву является «приправа» раствора-прекурсора FAPbI3 специально разработанными двумерными (2D) перовскитами. Эти 2D-перовскиты действуют как шаблоны, направляя рост объемного/3D-перовскита и повышая стабильность структуры кристаллической решетки.

Исследователи объясняют, что FAPbI3, хотя и химически стабилен, структурно нестабильен. Используя 2D-перовскиты в качестве шаблонов, они повысили эффективность и долговечность пленок FAPbI3. Добавление хорошо подобранных 2D-кристаллов способствовало образованию высококачественных кристаллов FAPbI3, которые показали меньший внутренний беспорядок и более сильную реакцию на освещение.

Солнечные элементы с этими 2D-шаблонами превзошли своих аналогов. Они сохраняли стабильность даже после 20 дней выработки электроэнергии из солнечного света. Эта стабильность была дополнительно повышена за счет добавления герметизирующего слоя, что приблизило перовскитные солнечные элементы к коммерческой жизнеспособности.

Это достижение может изменить фотоэлектрические технологии за счет снижения производственных затрат и создания более легких и гибких солнечных панелей. В отличие от солнечных элементов на основе кремния, пленки перовскита можно обрабатывать при более низких температурах, что позволяет производить их на пластиковых или гибких подложках, что еще больше снижает затраты.

«Изготовление высококачественных солнечных панелей из перовскита должно быть намного дешевле и менее энергозатратным по сравнению с высококачественными кремниевыми панелями, потому что обработка намного проще», — сказал Исаак Меткалф, аспирант Райс в области материаловедения и наноинженерии и ведущий автор исследования.

«Если солнечное электричество не появится, не произойдет ни один из других процессов, в которых используются зеленые электроны из сети, таких как термохимические или электрохимические процессы в химическом производстве», — сказал Мохит. «Фотовольтаика абсолютно необходима».

Результаты появились в журнале Наука .