Новый модификатор повысил эффективность перовскитных солнечных батарей

Научный коллектив НИТУ «МИСиС» представил улучшенную версию солнечных батарей на основе перовскитов. Ученые модифицировали фотоэлементы на основе перовскитов максенами (MXenes) — тонкими двумерными карбидами титана с высокой электропроводностью. Полученный фотомодуль показал превосходные характеристики с эффективностью преобразования солнечного света, превышающей 19% (аналоги дают 17%) и улучшенной стабильной выходной мощностью. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале NANO ENERGY.

Перовскитные пленочные фотоэлементы — активно развивающаяся во всем мире технология альтернативной энергетики. Солнечные батареи из перовскитов можно печатать на специальных струйных или матричных принтерах без применения вакуумных процессов. Это снижает стоимость устройства по сравнению с традиционными кремниевыми.

Другие их преимущества — гибкость: фотоэлемент можно изготавливать на подложках из ПЭТ (лавсана) обычного материала для пластиковых бутылок — и компактность, за счет чего пленочные фотомодули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол, получая независимый обогрев либо электропитание.

Перовскитный модуль имеет структуру сэндвича, между слоями которого происходит процесс сбора электронов, в результате чего энергия солнечного света преобразуется в электрическую. При этом слои очень тонкие – от 10 до 50 нанометров, а сам «сэндвич» тоньше человеческого волоса. Чем менее энергозатратно происходит процесс электронного перемещения внутри «сэндвича», тем эффективнее работает весь модуль.

Научная группа физиков НИТУ «МИСиС» и Университета Тор Вергата (Милан, Италия) доказали экспериментально, что небольшая добавка максенов на основе карбида титана в светопоглощающие слои перовскита улучшает процесс электронного перемещения и оптимизирует работу батареи.

Название MXenes отражает процесс создания материалов. Они производятся путем травления и отшелушивания атомарно тонких слоев предварительно нанесенного алюминия на слоистые карбиды (MAX phases). MAX phases — слоистые шестиугольные карбиды и нитриды.

«В работе мы демонстрируем полезную роль легирования MXenes как для фотоактивного слоя, так и для слоя переноса электронов в транспортных слоях фуллеренов перовскитных солнечных элементов на основе оксида никеля, — рассказала соавтор исследования, сотрудник лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ «МИСиС», аспирантка Анастасия Якушева. — Добавление максенов позволяет, с одной стороны, легко настраивать выравнивание уровней энергии на границе перовскит/фуллерены, а с другой стороны, контролировать концентрацию дефектов в структуре ячейки, что, в свою очередь, улучшает сбор фототока».

Созданные на основе нового состава фотоэлементы показали повышенные характеристики с эффективностью преобразования мощности, превышающей 19%. Это на 2% больше мощности аналогов.

Предлагаемый разработчиками подход может быть легко масштабирован до формата модулей и панелей большой площади, поскольку легирование MXenes (максенами) не меняет технологическую цепочку производства и осуществляется только на первичном этапе растворов для нанесения и не влияет на окончательную архитектуру модуля.