Фторид магния помог получить эффективные и стабильные тандемные солнечные элементы

Материаловеды из Саудовской аравии и Германии получили эффективные и стабильные тандемные солнечные элементы на основе кремния и перовскитов. Они заменили слой фторида лития в перовскитной ячейке на слой фторида магния, что позволило снизить гигроскопичность и подвижность ионов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Тандемный солнечный элемент состоит из двух полупроводниковых солнечных элементов, расположенных один над другим. Сверху размещают полупроводник с большей шириной запрещенной зоны, а сам слой делают тонким и полупрозрачным. В этом случае верхний слой поглотит только самое высокоэнергетические фотоны, или коротковолновую часть солнечного спектра. Фотоны с более низкой энергией (длинноволновая часть спектра) пройдут через верхний слой и поглотятся в нижнем. В результате солнечный элемент будет поглощать и преобразовывать в электрическую энергию весь спектр солнечного излучения, не теряя ни высокоэнергетические, ни низкоэнергетические фотоны. Поэтому эффективность тандема всегда выше, чем у каждой из частей по отдельности.

Для нижней части тандема идеальным кандидатом считается кремний. Кремниевые солнечные преобразователи очень хорошо изучены, эффективны и стабильны. В то же время их эффективность уже почти достигла своего предела и почти не растет (рекорд на монокристаллическом кремнии составляет 26,7 процентов, эффективность коммерческих поликристаллических образцов в среднем 20- 22 процента). Поэтому идея сделать кремний частью тандема и получить за счет этого еще несколько процентов эффективности выглядит очень перспективной.

Одним из возможных партнеров для кремния могут стать перовскитные солнечные элементы. Перовскитные слои наносят из раствора, поэтому их легко нанести поверх кремниевого полупроводника, а варьируя состав перовскита, можно подобрать оптимальное значение ширины запрещенной зоны.

Большой шаг вперед в создании кремниево-перовскитных тандемов сделали ученые из Саудовской Аравии и Германии под руководством Стефана Де Вольфа (Stefaan De Wolf) из Научно-технического университета имени короля Абдаллы.

Первый слой изготовили из кремниевого полупроводника, который текстурировали с двух сторон, чтобы снизить отражение света. Поверх разместили перовскитный солнечный элемент с p-i-n конфигурацией: это значит, что внизу располагается дырочно-транспортный слой, над ним — активный перовскитный слой, и наконец, электрон-транспортный слой.

Для транспорта электронов в таких солнечных элементах используют тонкий слой фуллерена C₆₀. Между перовскитом и фуллереном наносят слой фторида лития, который снижает работу выхода электрона из перовскита и облегчает экстракцию. Однако, такие добавки снижают стабильность солнечных элементов из-за высокой миграции ионов лития. Поэтому Де Вольф и коллеги сфокусировались на поиске альтернативного материала, который мог бы заменить фторид лития. Всего ученые протестировали и сравнили между собой четыре соли — к фториду лития добавились фторид натрия (NaF), нестехиометричный фторид магния (MgF_x) и нестехиометричный фторид кальция (CaF_x).

Чтобы не снижать поглощение в перовските, транспортные слои делали очень тонкими — всего один нанометр, а чтобы добиться однородности и воспроизводимости, наносили их методом осаждения из газовой фазы. Лучшие результаты получились с фторидом магния. Этот материал давал даже большее снижение работы выхода, чем фторид лития, кроме того более эффективно отделял перовскитный слой от фуллерена, подавляя процесс образования ловушек.

Кроме того, авторы нанесли поверх слоя фуллерена тонкий слой диоксида олова, который защитил солнечный элемент во время напыления катода. После оптимизации всех параметров получились солнечные элементы с эффективностью 29,3 процента, что было подтверждено тестированием в независимой лаборатории Института систем солнечной энергии Фраунгофера во Фрайберге . Это лишь немного меньше, чем нынешний рекорд для тандемов (29,8 процентов, установлен в ноябре 2021 года группой из Университета Геймгольца в Берлине). При этом значение напряжения холостого хода (1,92 Вольт) у Де Вольфа получилось такое же, как и у элементов-рекордсменов.

Как и ожидалось, добавка фторида магния вместо фторида лития заметно улучшила стабильность солнечных элементов. Солнечные элементы с фторидом магния проработали 1000 часов, сохранив 95,4 процента своей начальной эффективности, при этом напряжение холостого хода в процессе тестирования даже немного увеличилось. Эффективность аналогичной ячейки с фторидом лития снизилась вдвое уже за первые 550 часов эксперимента. Авторы объяснили такую разницу низкой подвижностью ионов во фториде магния и его меньшей гигроскопичность по сравнению с фторидом лития. В дальнейшем авторы планируют оптимизировать инкапсуляцию своих элементов и протестировать их для получения международного сертификата стабильности IEC61215:2016. Ранее такой сертификат не удавалось получить ни одному перовскитно-кремниевому тандему.

В феврале мы писали о другой работе группы Де Вольфа. Работая вместе с коллегами из Тайваня, ученые добавили в перовскитные солнечные элементы защитный слой из 2D-перовскита. Получились элементы, способные проработать 1200 часов в условиях высокой температуры и влажности.

Наталия Самойлова