Задача повышения КПД солнечных батарей состоит в преобразовании равного количества солнечного света в бо́льший объём электроэнергии при использовании равной площади фотоэлектрических панелей. Интернациональная группа исследователей добилась рекордного увеличения производительности перовскит-кремниевых солнечных панелей без повышения стоимости производства.
Учёные из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца, а также из Потсдамского, Шеффилдского, Каунасского технологического и Люблянского университетов объединили свои усилия в создании тандемной монолитной солнечной батареи. Её ключевыми компонентами являются кремний и перовскит на основе галогенидов металлов. Изначально исследователи работали над перовскитом и кремнием как перспективными полупроводниковыми материалами для солнечных панелей независимо друг от друга. При этом первые кремниевые фотоэлектрические преобразователи впервые были представлены на рынке ещё в 1948 году компанией Bell Laboratories. Перовскит же заинтересовал учёных лишь в 2000-х годах, а в 2013 году его включили в топ-10 прорывных материалов года по версии журнала «Science». Специалисты считают, что в будущем ему суждено затмить кремний в сфере солнечной энергетики.
Тем временем учёные продолжают эксперименты по комбинации соединений перовскита с прочими материалами вроде кремния. Такой тандем полупроводников взаимодействует с разными частями светового спектра. Помимо инфракрасного излучения, преобразуемого кремниевыми компонентами, двойной монолит с перовскитом способен генерировать электричество и из видимой части спектра. В последние годы учёным удалось добиться заметного повышения КПД перовскит-кремниевых солнечных панелей. Всего пять лет назад их максимальная эффективность не превышала 14%, а в последнем эксперименте КПД тандемной батареи составил 29,15%. Это стало возможным благодаря оптимизации не только фотоактивных, но и проводящих слоёв преобразователя.
Путём совершенствования архитектуры панели, в частности благодаря ускоренной экстракции дырок (носителей положительного заряда в полупроводниках), учёным удалось добиться низкого коэффициента излучения (1,26) и более высокого коэффициента заполнения солнечных элементов (до 84%). При разомкнутой цепи фотопреобразователь площадью 1 см2 выдавал стабильный вольтаж 1,92 В. Кроме того, спустя 300 часов работы даже без защитной капсулы тандемная перовскит-кремниевая солнечная панель сохранила около 95% своей эффективности.
КПД 29,15% – рекорд технологии, однако это вовсе не повод останавливаться. Эффективность каждого компонента по отдельности не превышает 20%, однако предел практических возможностей их тандема определённо превосходит отметку в 30%. Кроме того, для коммерческого использования подобных перовскит-кремниевых солнечных панелей исследователям предстоит поработать над технологиями производства больших площадей. Впрочем, учёные уверены, что даже столь значительные усовершенствования в архитектуре батарей не окажут значительного влияния на себестоимость их производства.
Источник: Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction