Устройство не только отличается высокой прочностью, но и соответствует общепринятым стандартам эффективности. Это первый в своем роде прибор, который может соперничать по производительности с элементами на основе кремния, которые доминировали на рынке с момента их появления в 1954 году.

Перовскиты - это полупроводники со специальной кристаллической структурой, которая делает их хорошо подходящими для технологии солнечных элементов. Они могут быть изготовлены при комнатной температуре, потребляя гораздо меньше энергии, чем кремний, что делает их более дешевыми и устойчивыми в производстве. И в то время как кремний жесткий и непрозрачный, перовскиты можно сделать гибкими и прозрачными, распространяя солнечную энергию далеко за пределы культовых панелей, которыми украшены склоны холмов и крыши по всей Америке.

Но в отличие от кремния, перовскиты, как известно, хрупки. Ранние перовскитовые солнечные элементы (PSC), созданные в период с 2009 по 2012 год, работали всего несколько минут. Прогнозируемый срок службы нового устройства представляет собой пятикратное увеличение по сравнению с предыдущим рекордом, установленным PSC с более низкой эффективностью в 2017 году. (Это устройство работало при непрерывном освещении при комнатной температуре в течение одного года. Новое устройство будет работать в течение пяти лет в аналогичных лабораторных условиях.)

Команда Принстона, возглавляемая Линн Лоо, профессором инженерии Теодорой Д. 78 и Уильямом Х. Уолтоном III 74, представила свое новое устройство и новый метод тестирования таких устройств в статье, опубликованной 16 июня в Наука.

Лоо сказал, что рекордный дизайн подчеркнул долговечный потенциал PSC, особенно как способ вывести технологию солнечных элементов за пределы кремния. Но она также указала на новый метод ускоренного старения, разработанный ее командой, как на более глубокое значение работы.

"Возможно, сегодня у нас будет пластинка, - сказала она, - но завтра кто-то другой выступит с лучшей пластинкой. По-настоящему интересно то, что теперь у нас есть способ протестировать эти устройства и узнать, как они будут работать в долгосрочной перспективе ".

Из-за хорошо известной хрупкости перовскитов длительное тестирование до сих пор не вызывало особой озабоченности. Но по мере того, как устройства становятся лучше и служат дольше, тестирование одного дизайна на соответствие другому станет решающим фактором при внедрении долговечных, удобных для потребителя технологий.

"Эта статья, вероятно, станет прототипом для тех, кто хочет проанализировать производительность на стыке эффективности и стабильности", - сказал Джозеф Берри, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, который специализируется на физике солнечных элементов и который не участвовал в этом исследовании. "Создавая прототип для изучения стабильности и показывая, что можно экстраполировать [с помощью ускоренного тестирования], он выполняет работу, которую все хотят увидеть, прежде чем мы начнем полевые испытания в масштабе. Это позволяет вам проектировать действительно впечатляющим образом ".

По словам Берри, в то время как эффективность за последнее десятилетие значительно возросла, стабильность этих устройств улучшалась медленнее. Чтобы они получили широкое распространение и были внедрены в промышленности, тестирование должно стать более сложным. Вот тут-то и вступает в дело ускоренный процесс старения Лоо.

"Такого рода тесты будут приобретать все большее значение", - сказал Лоо. "Вы можете сделать самые эффективные солнечные элементы, но это не будет иметь значения, если они не будут стабильными".

Как они сюда попали

В начале 2020 года команда Лоо работала над различными архитектурами устройств, которые обеспечивали бы относительно высокую эффективность - преобразование достаточного количества солнечного света в электроэнергию, чтобы сделать их ценными, - и выдерживали натиск тепла, света и влажности, которые бомбардируют солнечный элемент в течение всего срока его службы.

Сяомин Чжао, постдокторский исследователь в лаборатории Лоо, работал над рядом проектов вместе с коллегами. Усилия были направлены на то, чтобы наслоить различные материалы, чтобы оптимизировать поглощение света, защищая при этом наиболее уязвимые участки от воздействия. Они разработали ультратонкий защитный слой между двумя важнейшими компонентами: поглощающим перовскитовым слоем и несущим заряд слоем, изготовленным из соли меди и других веществ. Цель состояла в том, чтобы не допустить выгорания перовскитового полупроводника в течение нескольких недель или месяцев, что было нормой в то время.

Трудно представить, насколько тонок этот покрывающий слой. Ученые используют термин 2D для описания этого, что означает два измерения, как у чего-то, что вообще не имеет толщины. На самом деле его толщина составляет всего несколько атомов - более чем в миллион раз меньше, чем самая маленькая вещь, которую может видеть человеческий глаз. Хотя идея 2D-покрывающего слоя не нова, она по-прежнему считается многообещающей, развивающейся технологией. Ученые из NREL показали, что 2D-слои могут значительно улучшить производительность на дальних расстояниях, но никто не разработал устройство, которое приблизило бы перовскиты к коммерческому порогу 20-летнего срока службы.

Чжао и его коллеги прошли через множество перестановок этих конструкций, меняя мельчайшие детали геометрии, варьируя количество слоев и пробуя десятки комбинаций материалов. Каждая конструкция помещалась в световой короб, где они могли облучать чувствительные устройства безжалостно ярким светом и измерять падение их производительности с течением времени.

Осенью того же года, когда первая волна пандемии утихла и исследователи вернулись в свои лаборатории, чтобы проводить свои эксперименты в тщательно скоординированные смены, Чжао заметил нечто странное в данных. Один набор устройств, по-видимому, все еще работал с максимальной эффективностью.

"По прошествии почти полугода падение было практически нулевым", - сказал он.

Именно тогда он понял, что ему нужен способ стресс-тестирования своего устройства быстрее, чем позволял его эксперимент в реальном времени.

"Срок службы, который мы хотим, составляет около 30 лет, но вы не можете потратить 30 лет на тестирование своего устройства", - сказал Чжао. "Итак, нам нужен какой-то способ предсказать эту продолжительность жизни в разумные сроки. Вот почему это ускоренное старение очень важно".

Новый метод тестирования ускоряет процесс старения за счет освещения устройства во время обдува его теплом. Этот процесс ускоряет то, что произошло бы естественным образом в течение многих лет регулярного воздействия. Исследователи выбрали четыре температуры старения и измерили результаты в этих четырех различных потоках данных, от базовой температуры типичного летнего дня до экстремальных 230 градусов по Фаренгейту, что выше точки кипения воды.

Затем они экстраполировали объединенные данные и спрогнозировали производительность устройства при комнатной температуре в течение десятков тысяч часов непрерывного освещения. Результаты показали, что устройство будет работать более чем на 80 процентов от своей максимальной эффективности при непрерывном освещении в течение как минимум пяти лет при средней температуре 95 градусов по Фаренгейту. Используя стандартные показатели конверсии, Лу сказал, что это лабораторный эквивалент 30 лет работы на открытом воздухе в таком районе, как Принстон, штат Нью-Джерси.

Берри из NREL согласился. "Это очень правдоподобно", - сказал он. "Некоторые люди все еще захотят посмотреть, как это разыграется. Но это гораздо более достоверная наука, чем многие другие попытки прогнозирования".

Майкл Джордан о солнечных элементах

Перовскитовые солнечные элементы были впервые разработаны в 2006 году, а первые опубликованные устройства появились в 2009 году. Некоторые из самых ранних устройств работали всего несколько секунд. Другие минуты. В 2010-х годах срок службы устройства вырос до дней, недель и, наконец, месяцев. Затем, в 2017 году, группа из Швейцарии опубликовала новаторский документ о PSC, который продолжался в течение одного полного года непрерывного освещения.

Между тем, эффективность этих устройств за тот же период резко возросла. В то время как первый PSC показал эффективность преобразования энергии менее 4 процентов, исследователи увеличили этот показатель почти в десять раз за столько же лет. Это было самое быстрое улучшение, которое ученые наблюдали в любом классе технологий использования возобновляемых источников энергии на сегодняшний день.

Так почему же так настаивают на перовскитах? Берри сказал, что сочетание последних достижений делает их уникально желательными: новая высокая эффективность, исключительная "настраиваемость", которая позволяет ученым создавать высокоспецифичные приложения, возможность производить их на месте с низкими затратами энергии, а теперь и надежный прогноз продления срока службы в сочетании со сложным процессом старения для тестирования широкого спектра из дизайнов.

Лоо сказал, что дело не в том, что PSC заменят кремниевые устройства, а в том, что новая технология дополнит старую, сделав солнечные панели еще дешевле, эффективнее и долговечнее, чем сейчас, и распространив солнечную энергию на неисчислимые новые области современной жизни. Например, ее группа недавно продемонстрировала полностью прозрачную пленку из перовскита (имеющую другой химический состав), которая может превратить окна в устройства, производящие энергию, не меняя их внешнего вида. Другие группы нашли способы печати фотоэлектрическими чернилами с использованием перовскитов, что позволяет создавать формфакторы, о которых ученые только сейчас мечтают.

Но главное преимущество в долгосрочной перспективе, по мнению Берри и Лоо: перовскиты могут быть изготовлены при комнатной температуре, в то время как кремний выковывается при температуре около 3000 градусов по Фаренгейту. Эта энергия должна откуда-то поступать, и на данный момент это означает сжигание большого количества ископаемого топлива.

Берри добавил следующее: поскольку ученые могут легко и широко настраивать свойства перовскита, они позволяют разрозненным платформам слаженно работать вместе. Это может сыграть ключевую роль в объединении кремния с новыми платформами, такими как тонкопленочная и органическая фотоэлектрика, которые также добились большого прогресса в последние годы.

"Это что-то вроде Майкла Джордана на баскетбольной площадке", - сказал он. "Великолепно само по себе, но это также делает всех других игроков лучше".