В отечественной и зарубежной печати все чаще появляются публикации о солнечных батареях, для изготовления которых используется не традиционный кремний, а относительно недавно открытый минерал, названный перовскитом. Достоинством новых солнечных батарей является их сравнительная дешевизна, но использование тормозится из-за низкого КПД. Работы по повышению эффективности батарей из перовскита в нашей стране ведет НИТУ «МИСиС». Финансирование этой программы осуществляется на основе мегагранта Министерства образования и науки России.
Процесс изготовления из перовскита фотоэлементов
Перовскит, являющийся природным минералом титаната кальция (CaTiO3), открыли в районе Уральских гор в 1839 году, но его подлинные возможности были выявлены совсем недавно, в связи с чем в 2013 году он был назван «прорывным материалом». Кристаллическая структура этого минерала напоминает куб неправильной формы, что характерно для соединений со свойствами полупроводников. Для изготовления фотоэлемента нужен очень тонкий слой перовскита. В процессе изготовления используются также свинец и растворенный в диметилформамиде металлоорганический иодид. Все составляющие наносятся на подложку, в качестве которой, как правило, используется органический полимер. Процесс изготовления завершается их обжигом при температуре от 90 до 110 градусов по Цельсию. При этом из молекул перовскита образуется поликристаллическая пленка, превращающаяся в гибкие полупрозрачные панели. Из кремния такие панели получить невозможно. Работы по созданию из перовскита солнечных батарей начинались с использования жидкого электролита, в результате чего фотоэлементы получались недолговечными. Замена жидкой фракции электролита на твердую увеличила КПД таких фотоэлементов до 15%.
Принцип работы перовскитных фотоэлементов
Фотопроводящий слой из перовскита в фотоэлементе оказывается зажатым двумя полупроводниками, предназначенными для переноски электрического заряда. Энергия электронов в этих полупроводниках различная, поэтому их разделяют по уровням. Ученые исследовали три верхних уровня, где наблюдается перемещение носителей заряда. На нижнем уровне (в валентной зоне) электроны практически не способны передвигаться. Законы природы не позволяют им перескакивать на следующий уровень, а для прыжка через уровень электронам нужна энергия. Такая энергия есть в солнечном свете, который как бы подталкивает электроны. Электроны, прыгая в зону проводимости, оставляют на своем месте положительный заряд, названный дыркой. Через полупроводниковый слой электроны перемещаются к катоду, а через другой полупроводник двигаются к аноду дырки. В конструкции фотоэлементов из перовскита полупроводниковые слои являются как бы приемщиками носителей электрического заряда, доставляя их к электродам фотоэлемента.
Перспективы повышения КПД у перовскитных солнечных батарей
Максимальное значение КПД у современных батарей на кремниевой основе равняется 26,6%. У батарей из перовскита наибольшее значение КПД - 22,7%. Однако увеличение эффективности солнечных батарей из перовскита, по общему убеждению, лишь вопрос времени. И вскоре мы наверняка станем свидетелями замены кремниевых солнечных батарей на более дешевые и эффективные - перовскитные.
0 комментариев