Для носимой электроники создали гибкие и эффективные солнечные панели
Ученые из Японии и США разработали гибкие солнечные панели, способные преобразовывать света в энергию с КПД до 10 процентов и сохраняющие эффективность при нагревании до 100 градусов Цельсия, сообщают разработчики в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Исследователи постоянно работают над улучшением солнечных панелей, но, как правило, такие улучшения направлены на повышение КПД или снижение стоимости панелей, хотя существует множество других факторов, влияющих на их применимость. В частности, для использования в качестве источника энергии в носимых устройствах или умной одежде панели должны выдерживать постоянные механические нагрузки, а также быть гибкими и эластичными.
Ученые под руководством Такао Сомэя (Takao Someya) из японского Института физико-химических исследований (RIKEN) разработали органические солнечные панели с высокой для такого класса устройств эффективностью, а также гибкостью и способностью длительно работать в условиях высоких температур. Панель представляет собой пленку толщиной в три микрометра. Около трети микрометра занимают несколько слоев, ответственных за выработку энергии. Они изолированы от окружающей среды с помощью слоев парилена и тефлона с одной стороны и полиимида с другой. Они защищают основную часть солнечной панели от воздействия тепла и не лишают устройства гибкости.
Исследователи создали большое количество прототипов и протестировали их свойства. Некоторые прототипы показали десятипроцентную эффективность преобразования солнечной энергии в электричество. Для сравнения, рекордный показатель для органических солнечных панелей с жесткой подложкой
13,1 процента. Помимо этого исследователи протестировали устойчивость панелей к нагреванию. Испытания показали, что эффективность устройства не падает при четырехчасовой выдержке при ста градусах Цельсия. Также они протестировали его при стандартных условиях для тестирования органических солнечных панелей. Выяснилось, что эффективность устройства падает на 20 процентов после более чем 500-часовой выдержки при 85 градусах Цельсия.
Разработчики продемонстрировали, что солнечную панель можно наносить с помощью термоплавкого клея или пленки на различные гибкие поверхности, например, ткань. При этом сама солнечная панель не теряет своих свойств, несмотря на нагревание при нанесении.
В прошлом году группа ученых под руководством Такао Сомэя
другие гибкие органические солнечные панели. В отличие от новой разработки они способны выдерживать погружение в воду, но обладают меньшей эффективностью преобразования солнечного света в электричество — 7,9 процента.
Григорий Копиев
Материаловеды выяснили, как соли муравьиной кислоты улучшают эффективность и стабильность солнечных элементов. Оказалось, ионы формиата заполняют вакансии иода на границе перовскитных кристаллов, а также замедляют скорость кристаллизации перовскита, поэтому вместо множества мелких кристаллитов формируются один крупный. Полученные солнечные элементы продемонстрировали эффективность в 25, 6 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. Эффективность солнечных элементов на основе смешанных свинцово-галогенидных перовскитов всего за десять лет увеличилась с 3,8 до 25,5 процента. Такие солнечные элементы дешевы и просты в получении, а еще их можно делать полупрозрачными и использовать в качестве верхней части тандемного солнечного элемента. Чаще всего в солнечных элементах используют перовскиты состава MAx(FA)1-хPbI3, где MA и FA — органические однозарядные катионы метиламмония и формамидиния. Для повышения стабильности и эффективности часть метиламмония заменяют на цезий, а часть иода — на хлор и бром. С недавних пор ученые стали добавлять в перовскитную решетку еще и анионы формиатов (солей муравьиной кислоты), которые стабилизируют перовскиты даже лучше, чем анионы хлора и брома — например, в феврале мы писали о работе китайских химиков, которые смогли с помощью муравьиной кислоты вырастить рекордно большие монокристаллы для фотодетектора. Но четкого понимания механизма происходящих процессов у ученых до сих пор не было. В одних работах писали, что формиат помогает контролировать рост перовскитных кристаллов, в других — что главная причина в предотвращении фазовой сегрегации (разделении разных подтипов катионов и анионов в пространстве, в результате чего перовскитная пленка становится неоднородной). Разобраться в вопросе смогли китайские, шведские, корейские и швейцарские ученые под руководством Майкла Гретцеля (Michael Grätzel) из Федеральной Политехнической Школы Лозанны и Джин Йонга Кима (Jin Young Kim) из Ульсанского Национального Института Науки и Технологии. Они работали с перовскитом состава FAPbI3, в который добавляли от одного до пяти мольных процентов формиата формамидиния FAHCOO. На снимках сканирующей электронной микроскопии видно, что добавки формиата помогают получить перовскитные кристаллиты большего размера — до двух микрометров. Метод рентгеновской дифракции подтвердил, что пленки с формиатом имеют лучшую кристалличность — то есть процент аморфного перовскита в них ниже. Кроме того в пленках с формиатом полностью отсутствовала фаза δ-FAPbI3, в которую основная фаза, α- FAPbI3, постепенно превращается под действием следов влаги. Перовскит δ-FAPbI3 не фотоактивен, поэтому чем ниже его содержание в пленке, тем лучше для будущего солнечного элемента. Самые качественные пленки получились с добавками двух мольных процентов формиата. При более высоких концентрациях формиата кристаллиты перовскита становились разупорядоченными.