Перовскит: новый тип солнечной технологии открывает путь к многочисленным, дешевым и пригодным для печати элементам

Старший научный сотрудник Центра SPECIFIC инноваций и знаний Университета Суонси

Дэвид Бейнон получает финансирование от EPSRC и правительства Уэльса. Ранее он работал над исследовательскими проектами, финансируемыми Европейским фондом регионального развития, Tata Steel, Power Roll Ltd и European Union Horizon.

Университет Суонси предоставляет финансирование как член The Conversation UK.

Посмотреть всех партнеров

Кремниевые солнечные элементы — это признанная технология производства солнечной электроэнергии. Но для их производства требуется много энергии, они жесткие и могут быть хрупкими.

Однако новый класс солнечных батарей соответствует их характеристикам. Более того, теперь его можно распечатать с помощью специальных чернил и гибко обернуть неровными поверхностями.

Мы разработали первый в мире сворачиваемый и полностью печатаемый солнечный элемент, изготовленный из перовскита, материала, производство которого гораздо дешевле, чем кремний. Если мы также сможем повысить их эффективность, это указывает на возможность производства более дешевых солнечных элементов в гораздо больших масштабах, чем когда-либо прежде.

Кремниевые солнечные элементы, которые так знакомы нам, имеют существенное ограничение. Если бы было произведено достаточно материалов, чтобы покрыть наши потребности, к 2050 году у нас могут закончиться материалы для их изготовления. Итак, нам нужно что-то новое и в больших количествах. Перовскитный солнечный элемент призван заполнить этот пробел.

Перовскит — это кристаллическая структура, состоящая из неорганических и органических компонентов, названная в честь Льва Перовского, русского минераловеда 17-18 веков.

Солнечные элементы из перовскита впервые появились в исследовательских лабораториях в 2012 году и привлекли внимание исследователей благодаря двум факторам: их способности преобразовывать солнечный свет в электричество и возможности их создания из комбинации чернил.

В исследовательских лабораториях, использующих строго контролируемые методы производства в средах, где кислород и вода полностью удалены, перовскитные солнечные элементы теперь могут по выработке электроэнергии соответствовать кремниевым солнечным элементам. Это замечательное достижение.

Но дешевые перовскитные солнечные элементы, в которых отсутствует кремний, еще не производятся в промышленных масштабах. А что, если бы эти материалы можно было производить с использованием тех же процессов, которые мы используем для печати обычной упаковки?

Недавно мы с коллегами продемонстрировали, что рулон пластиковой пленки можно загрузить в печатный станок, а на другом конце появятся работающие перовскитовые солнечные элементы. Однако это не так просто, как залить чернила в настольный принтер.

Во-первых, ученые обнаружили, что для достижения рекордной эффективности слои полупроводника и перовскита в этой новой форме солнечного элемента должны быть чрезвычайно тонкими – от 50 до 500 нанометров (примерно в 500 раз меньше человеческого волоса).

Кроме того, чернила, используемые для их печати, требовали высокотоксичных растворителей. Но после многих лет усилий мы теперь разработали чернила без токсичных растворителей, совместимые с процессом нанесения покрытия на щелевые матрицы – признанной промышленной технологией, первоначально использовавшейся для производства фотопленки.

Напечатанный слой перовскита генерирует свободные электроны за счет энергии, обеспечиваемой падающим на него светом. Затем полупроводник предотвращает повторное поглощение этих электронов перовскитом с хорошей эффективностью преобразования энергии (отношением входной оптической мощности к выходной электрической мощности).

Оставалась одна проблема: как извлечь электрический заряд. Раньше этого достигали путем нагревания золота в вакууме до его испарения и улавливания пара на перовскитном солнечном элементе для формирования электродов.

Мы применили другой подход, создав углеродные чернила, совместимые как с перовскитным материалом, так и с процессом нанесения щелевого покрытия. Результатом являются большие объемы гибких, свертываемых солнечных элементов, которые выходят из печатного станка готовыми генерировать электроэнергию.

Солнечные элементы на основе перовскита продемонстрировали высокую эффективность в исследовательских лабораториях и теперь доказали, что способны совершить скачок к крупносерийному производству. Но работа еще не совсем завершена.