Размещенные на крышах домов и на солнечных фермах солнечные элементы на основе кремния на сегодняшний день являются одной из наиболее эффективных систем для выработки электроэнергии из солнечного света, но их изготовление может быть дорогостоящим и энергозатратным, помимо того, что они тяжелые и громоздкие. Альтернативное решение в виде более дешевых тонкопленочных солнечных элементов также имеет тот недостаток, что они в основном состоят из токсичных элементов, таких как свинец или кадмий, или содержат дефицитные элементы, такие как индий или теллур.
В поисках новых технологий для тонких фотоэлектрических систем солнечные элементы на основе AgBiS2 нанокристаллы стали звездным игроком в игре, состоящим из нетоксичных элементов, которыми богата земля, производимых в условиях окружающей среды при низких температурах и с использованием недорогих технологий обработки растворов. Он может быть интегрирован в ультратонкие солнечные элементы и доказал свою высокую стабильность, предотвращая деградацию элемента в течение длительного периода времени.
Еще в 2016 году исследование, проведенное профессором ICREA. в ICFO Герасимос Константатос изготовил полупроводниковый поглотитель солнечного элемента толщиной 35 нм на основе AgBiS2 нанокристаллы, которые были синтезированы при очень низких температурах (100ºC) (на порядок ниже, чем те, которые требуются для солнечных элементов на основе кремния) и сконструированы на наноуровне с помощью процесса послойного осаждения для достижения эффективности порядка ~ 6%. Несмотря на то, что эти элементы были многообещающей экологически чистой альтернативой кремнию, они все еще не были способны достичь убедительных характеристик, необходимых для коммерциализации.
Таким образом, многие исследования изучали способы повышения их производительности и обнаружили, что оптимальная толщина этих полупроводниковых поглотителей тесно связана с коэффициентами поглощения, поэтому целью было бы найти ультратонкий солнечный элемент, способный обладать высокой эффективностью поглощения, квантовой эффективностью и конечной производительностью при одновременном снижении стоимости, веса и производство. Но, стремясь к созданию ультратонкой слоистой ячейки, проблема работы со светоулавливающими структурами увеличила бы стоимость и сложность проблемы, потому что чем тоньше структура, тем сложнее становится поглощать энергию.
Чтобы преодолеть эту проблему, исследователи ICFO Йонджи Ван, Игнаси Бург-Себальос в сотрудничестве с профессором Дэвидом Скэнлоном из Университетского колледжа Лондона, профессором Ароном Уолшем из Имперского колледжа Лондона и Шоном Кавана (UCL & Imperial) во главе с профессором ICREA. в ICFO Герасимос Константатос сделал значительный рывок вперед и добился новаторского результата. Опубликованное в Nature Photonics их исследование сообщает о совершенно новом подходе к изготовлению этих солнечных элементов на основе AgBiS2 это обеспечивает более высокие коэффициенты поглощения, чем у любого другого фотоэлектрического материала, используемого на сегодняшний день.
Катионное расстройство
В своем исследовании исследователи искусно сконструировали слой нанокристаллов в клетке с помощью нетрадиционного подхода, называемого инженерией катионных нарушений. Для этого они взяли AgBiS2 нанокристаллы и, используя процесс мягкого отжига, они смогли настроить атомные положения катионов внутри решетки, чтобы фактически вызвать обмен катионами между участками и достичь однородного распределения катионов. Применяя различные температуры отжига и добиваясь различного распределения катионов в кристаллической структуре, они смогли показать, что этот полупроводниковый материал обладает коэффициентом поглощения в 5-10 раз большим, чем любой другой материал, используемый в настоящее время в фотоэлектрической технологии, и даже более того, в спектральном диапазоне, который охватывает от УФ (400 нм) до инфракрасный (1000 нм). Для этого потребовался новый химический состав поверхности этого нового материала, чтобы сохранить оптоэлектронное качество нанокристаллов после отжига. Таким образом, авторы использовали меркаптопропионовую кислоту в качестве пассивирующего лиганда, который сохранял качество материала при отжиге.
Чтобы предсказать и проверить гипотезы работы, авторы выполнили расчеты по теории функционала плотности, которые подтвердили экспериментальные данные. Шон Кавана, соавтор исследования из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Имперского колледжа, утверждает: "Важность атомного беспорядка в новых неорганических солнечных элементах в настоящее время является горячей темой обсуждения в этой области. Наши теоретические исследования термодинамики и оптико-электронных эффектов катионного расстройства в AgBiS2 revealed both the accessibility of cation re-distribution and the strong impact of this on the optoelectronic properties. Our calculations revealed that a homogeneous cation distribution would yield optimal solar cell performance in these disordered materials, corroborating the experimental discoveries as a testament of the synergism between theory and experiment."
С этим результатом они сконструировали ультратонкий солнечный элемент, обработанный раствором, путем нанесения AgBiS2 nanocrystals, layer-by-layer, onto ITO/Glass, the most commonly used transparent conductive oxide substrates, among others. They coated the devices with a PTAA (Poly triaryl amine) solution and upon illuminating the device under artificial sunlight, they recorded a power conversion efficiency in excess of 9% for a device with a total thickness no more than 100 nm, 10-50 times thinner than current thin film PV technologies and 1000 times thinner that Silicon PV.
One of the champion devices was sent to an accredited Photovoltaic (PV) calibration laboratory in Newport, USA, which certified a conversion efficiency of 8.85% under AM 1.5G full sun illumination. As the ICFO researcher and first author of the study, Yongjie Wang, comments, "While we noticed a strong darkening of our thin films upon mild annealing due to increased absorption, it was challenging to fabricate such thin devices at the beginning. After grasping control of the process and optimization of the full stack including optimizing electron and hole transport layers, we finally found a highly reproducible structure for efficient solar cells with improved stability. It is really exciting to see that 30nm device gives such a high short-circuit current density up to 27mA/cm2 и КПД до 9%."
As ICREA Prof. at ICFO Gerasimos Konstantatos finally highlights, "the devices reported in this study set a record among low-temperature and solution processed, environmentally friendly inorganic solar cells in terms of stability, form factor and performance. The engineering of the multinary systems with cation disordered AgBiS2 colloidal nanocrystals has proven to offer an absorption coefficient higher than any other photovoltaic material used to date, enabling highly efficient extremely thin absorber photovoltaic devices. We are thrilled with the results and will continue to proceed in this line of study to exploit their intriguing properties in photovoltaics as well as other optoelectronic devices."
Комментарии