Перовскитовые солнечные элементы – восходящая звезда в фотоэлектрической сфере. С момента их изобретения менее десяти лет назад их эффективность удвоилась вдвое и сейчас составляет более 22% – удивительный результат в секторе возобновляемых источников энергии.
Эти солнечные элементы, получившие название «перовскит» из-за характерного для них светособирающего слоя, легче, дешевле и гибче, чем традиционные элементы на основе кристаллического кремния.
Перовскитные солнечные элементы обычно подвергаются воздействию окружающего воздуха в течение нескольких часов после изготовления.
Эта процедура увеличивает их эффективность, даже если причина явления была неясной. Научное объяснение этой практики было обнаружено исследователями из Отдела энергетических материалов и наук о поверхности (EMSS) Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) под руководством профессора Ябина Ци.
Их результаты публикуются в Advanced Materials Interfaces.
«Это интригует: зачем нам окружающий воздух для повышения эффективности перовскитных солнечных элементов??"Зафер Хаваш, первый автор исследования и аспирант OIST, прокомментировал. «Какой компонент окружающего воздуха связан с этим явлением??"Начиная с этих вопросов, исследователи сосредоточили свое внимание на верхнем слое солнечных элементов.
Выбор был логичным, потому что даже если перовскитный солнечный элемент состоит из нескольких слоев, каждый из которых может влиять на эффективность элемента, самый верхний слой находится в непосредственном контакте с окружающим воздухом. Таким образом, это слой, наиболее подверженный влиянию внешней среды. Слой называется «слой переноса дырок», и в нем есть легирующая добавка, которая представляет собой вещество, повышающее электрическую проводимость материала. "Известно, что легирующая добавка дырочного транспортного слоя играет ключевую роль в работе перовскитных солнечных элементов", – сказал Хаваш. "Но было непонятно, как."
Ученые выполнили контролируемое воздействие на слой переноса дыры газов окружающей среды, уделяя особое внимание кислороду, азоту и влаге – воде, находящейся в газообразном состоянии. Затем они проверили электрические свойства транспортного уровня дырок, используя различные методы, чтобы увидеть, изменилась ли и как внутренняя часть транспортного уровня. «Мы обнаружили, что кислород и азот не играют никакой роли в перераспределении примесей», – пояснил Хаваш. «Но в случае влаги эффективность солнечных элементов увеличивается. Это открытие: влага – это компонент воздуха, который вызывает перераспределение легирующей примеси по материалу и, таким образом, улучшение электрических свойств солнечных элементов."
Ученые объясняют это явление структурой транспортного слоя, который имеет множество отверстий, которые позволяют газам проходить между окружающей средой и нижележащим материалом.
Легирующая добавка в транспортном слое представляет собой соль лития TFSI. Являясь солью, допант обладает гигроскопичностью: впитывает воду. Когда солнечные элементы подвергаются воздействию влаги, вода, поглощаемая транспортным слоем, вызывает перераспределение легирующей примеси.
Однако длительное воздействие влаги пагубно сказывается на солнечных элементах.
В ходе экспериментов исследователи также смогли документально подтвердить роль кислорода в работе солнечных элементов. «Кислород также увеличивает электрическую проводимость транспортного слоя, но этот эффект длится недолго», – прокомментировал Хаваш. "Но при правильном воздействии влаги электрические свойства необратимо улучшаются."
Воздействие влаги на устройство после изготовления является наиболее эффективным способом повышения производительности солнечных элементов. Таким образом, как ни странно, вода – это то, что вам нужно для правильной работы перовскитного солнечного элемента.
Это открытие имеет большое значение для будущего перовскитных солнечных элементов, поскольку оно, наконец, объясняет распространенную практику, эффективность которой была в основном анекдотической, и, таким образом, теперь может привести к дальнейшему улучшению характеристик перовскитных солнечных элементов.