Потребовалось найти правильный дизайн растворителя, чтобы нанести 2D верхний слой желаемого состава и толщины, не разрушая 3D нижний слой (или наоборот). Такая ячейка превращала бы в электричество больше солнечного света, чем любой другой слой сам по себе, и обладала бы лучшей стабильностью.

Инженер-химик и биомолекулярный инженер Адитья Мохите и его лаборатория в инженерной школе Джорджа Р. Брауна Райса сообщили в Наука их успех в создании тонких 3D / 2D солнечных элементов, которые обеспечивают эффективность преобразования энергии 24,5%.

По словам Мохите, это так же эффективно, как и большинство коммерчески доступных солнечных элементов.

"Это действительно хорошо для гибких бифазных клеток, куда свет поступает с обеих сторон, а также для клеток с обратным контактом", - сказал он. "2D-перовскиты поглощают синие и видимые фотоны, а 3D-сторона поглощает ближнее инфракрасное излучение".

Перовскиты - это кристаллы с кубовидной решеткой, которые, как известно, эффективно поглощают свет, но материалы, как правило, подвергаются воздействию света, влажности и тепла. Мохит и многие другие годами работали над тем, чтобы сделать перовскитовые солнечные элементы практичными.

Новое достижение, по его словам, в значительной степени устраняет последнее серьезное препятствие на пути к коммерческому производству.

"Это важно на многих уровнях", - сказал Мохите. "Во-первых, принципиально сложно создать обработанный раствором двухслойный материал, когда оба слоя представляют собой один и тот же материал. Проблема в том, что они оба растворяются в одних и тех же растворителях.

"Когда вы наносите 2D-слой поверх 3D-слоя, растворитель разрушает нижележащий слой", - сказал он. "Но наш новый метод решает эту проблему".

Мохайт сказал, что 2D-перовскитовые ячейки стабильны, но менее эффективны при преобразовании солнечного света. 3D-перовскиты более эффективны, но менее стабильны. Сочетание их включает в себя лучшие черты обоих.

"Это приводит к очень высокой эффективности, потому что теперь, впервые в полевых условиях, мы можем создавать слои с огромным контролем", - сказал он. "Это позволяет нам контролировать поток заряда и энергии не только для солнечных элементов, но и для оптоэлектронных устройств и светодиодов".

Эффективность тестовых клеток, подвергнутых воздействию лабораторного эквивалента 100% солнечного света в течение более 2000 часов, "не снижается даже на 1%", - сказал он. Не считая стеклянной подложки, ячейки имели толщину около 1 микрона.

Обработка раствором широко используется в промышленности и включает в себя ряд методов - нанесение методом отжима, погружение, покрытие лезвий, покрытие щелевых штампов и другие - для нанесения материала на поверхность в жидкости. Когда жидкость испаряется, остается чистое покрытие.

Ключевым моментом является баланс между двумя свойствами самого растворителя: его диэлектрической проницаемостью и донорным числом Гутмана. Диэлектрическая проницаемость - это отношение электрической проницаемости материала к его свободному пространству. Это определяет, насколько хорошо растворитель может растворить ионное соединение. Донорное число является мерой электронодонорной способности молекул растворителя.

"Если вы найдете корреляцию между ними, вы обнаружите, что существует около четырех растворителей, которые позволяют растворять перовскиты и наносить на них спиновое покрытие, не разрушая 3D-слой", - сказал Мохите.

Он сказал, что их открытие должно быть совместимо с рулонным производством, которое обычно производит 30 метров солнечных элементов в минуту.

"Этот прорыв впервые приводит к созданию гетероструктур перовскитных устройств, содержащих более одного активного слоя", - сказал соавтор Джеки Эвен, профессор физики Национального института науки и техники в Ренне, Франция. "Мечта о создании сложных полупроводниковых архитектур с использованием перовскитов вот-вот осуществится. Следующими шагами станут новые приложения и исследование новых физических явлений".

"Это имеет значение не только для солнечной энергии, но и для зеленого водорода, с элементами, которые могут производить энергию и преобразовывать ее в водород", - сказал Мохите. "Это также может позволить использовать автономную солнечную энергию для автомобилей, беспилотных летательных аппаратов, интегрированных в здания фотоэлектрических систем или даже сельского хозяйства".

Аспирант Райс Сирадж Сидхик является ведущим автором статьи. Соавторами, связанными с Райс, являются студент по обмену Яфей Ван; аспиранты Эндрю Торма, Синтинг Шуай, Венбин Ли и Аюш Агарвал; ученые-исследователи Танги Терлиер и Ананд Путират; Мэтью Джонс, доцент кафедры химии, материаловедения и наноинженерии Нормана и Джин Хакерман; и Пуликель Аджаян, Бенджамин М. и Мэри Гринвуд Андерсон, профессор инженерного дела и профессор материаловедения и наноинженерии, химии, а также химической и биомолекулярной инженерии. Другими соавторами являются постдокторант Майкл Де Сиена и Меркури Канатзидис, профессор химии Северо-Западного университета; выпускники Реза Асадпур и Мухаммад Ашрафул Алам, профессор электротехники и вычислительной техники Джай Н. Гупта из Университета Пердью; постдокторант Кевин Хо, научный сотрудник Раджив Гиридхарагопал и Дэвид Джинджер из Университета Пердью. Б. Сеймур Рабинович, заведующий кафедрой химии Вашингтонского университета в Сиэтле; исследователи Бубакар Траоре и Клодин Катан из Университета Ренна; и Джозеф Стрзалка, физик из Аргоннской национальной лаборатории.

Программа Департамента энергоэффективности и возобновляемых источников энергии (0008843), Академический институт Франции, программа исследований и инноваций Европейского союза "Горизонт 2020" (861985), Управление военно-морских исследований (N00014-20-1-2725 ), Аргоннская национальная лаборатория (DE-AC02- 06CH11357), Национальный научный фонд (1626418, 1719797) и Министерство энергетики (DE-SC00