За последнее десятилетие перовскитовые солнечные элементы добились поразительного прогресса. Их эффективность теперь сравнима с эффективностью давно зарекомендовавших себя кремниевых солнечных элементов. Перовскиты - это инновационные материалы с особой кристаллической структурой. Исследователи по всему миру работают над тем, чтобы перовскитная фотоэлектрическая технология была готова к практическому применению. Чем больше электроэнергии они вырабатывают на единицу площади поверхности, тем более привлекательными являются солнечные элементы для потребителей

Эффективность солнечных элементов может быть увеличена путем укладки двух или более элементов. Если каждый из уложенных друг на друга солнечных элементов особенно эффективен при поглощении света из другой части солнечного спектра, присущие ему потери могут быть уменьшены, а эффективность повышена. Эффективность - это показатель того, какая часть падающего света преобразуется в электричество. Благодаря своей универсальности перовскитовые солнечные элементы являются выдающимися компонентами для таких тандемов. Тандемные солнечные элементы, использующие перовскиты и кремний, достигли рекордного уровня эффективности - более 29 процентов, что значительно выше, чем у отдельных элементов, изготовленных из перовскита (25,7 процента) или кремния (26,7 процента).

Сочетание перовскитов с ЦИС для мобильности и гибкости

Объединение перовскитов с другими материалами, такими как диселенид меди-индия (CIS) или диселенид меди-индия-галлия (CIGS), сулит дополнительные преимущества. Такие комбинации позволят производить легкие и гибкие тандемные солнечные элементы, которые можно устанавливать не только на зданиях, но и на транспортных средствах и портативном оборудовании. Такие солнечные элементы можно даже складывать или сворачивать в рулон для хранения и при необходимости выдвигать, например, на жалюзи или навесы, чтобы обеспечить тень и одновременно вырабатывать электричество.

Международная команда исследователей во главе с доктором Марко А. Руис-Пресиадо и профессором Ульрихом В. Паетцольдом из Института светотехники (LTI) и Института технологии микроструктур (IMT) в KIT преуспела в производстве солнечных элементов из тандема перовскит/ЦИС с максимальной эффективностью 24,9% (23,5 процента сертифицированный). "Это самый высокий показатель эффективности для этой технологии и первый высокий уровень эффективности, достигнутый вообще с использованием солнечного элемента, практически не содержащего галлия, в сочетании с диселенидом меди и индия", - говорит Руис-Пресиадо. Уменьшение количества галлия приводит к узкой запрещенной зоне примерно в один электрон-вольт (эВ), что очень близко к идеальному значению 0,96 эВ для нижнего солнечного элемента в тандеме.

ЦИС-солнечные элементы с узкой запрещенной зоной - Перовскитные солнечные элементы с низким содержанием брома

Ширина запрещенной зоны - это характеристика материала, которая определяет часть солнечного спектра, которую солнечный элемент может поглощать для выработки электроэнергии. В монолитном тандемном солнечном элементе запрещенные зоны должны быть такими, чтобы два элемента могли вырабатывать одинаковые токи для достижения максимальной эффективности. Если ширина запрещенной зоны нижней ячейки изменяется, ширина запрещенной зоны верхней ячейки должна быть скорректирована с учетом изменения, и наоборот.

Для регулировки ширины запрещенной зоны для эффективной тандемной интеграции обычно используются перовскиты с высоким содержанием брома. Однако это часто приводит к падениям напряжения и нестабильности фазы. Поскольку исследователи KIT и их партнеры используют ЦИС-солнечные элементы с узкой запрещенной зоной в основании своих тандемов, они могут производить свои верхние элементы, используя перовскиты с низким содержанием брома, что приводит к более стабильным и эффективным элементам.

"Наше исследование демонстрирует потенциал перовскитных /ЦИС-тандемных солнечных элементов и закладывает основу для будущих разработок, направленных на дальнейшее повышение их эффективности", - говорит Петцольд. "Мы достигли этой вехи благодаря выдающемуся сотрудничеству в рамках проекта ЕС PERCISTAND и, в частности, благодаря нашему тесному сотрудничеству с Нидерландской организацией прикладных научных исследований". Важная работа была проделана в рамках проекта CAPITANO, финансируемого Федеральным министерством экономики и борьбы с изменением климата Германии (BMWK).