Это помогло сохранить коэффициент заполнения при увеличении площади устройств
Китайские материаловеды сумели увеличить площадь перовскитных модулей без потери эфективности. Для этого еще влажную пленку перовскита охладили перед вакуумной обработкой, замедляя ее кристаллизацию. Полученный мини-модуль площадью 19,48 квадратного сантиметра показал сертифицированную эффективность 23,9 процента. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
Эффективность небольших перовскитных элементов уже превышает 28 процентов. Однако при переходе к крупным модулям эффективность заметно снижается. Ученые под руководством Буйи Яня (Buyi Yan) из компании Microquanta Semiconductor и Дунчэня Ланя (Dongchen Lan) из Чжэцзянского университета решили выяснить, какие именно параметры сильнее всего влияют на потери эффективности при масштабировании перовскитных устройств. Для этого они сравнили характеристики лабораторных элементов и соответствующих им более крупных модулей из литературных данных, а затем разделили общие потери эффективности на вклады напряжения холостого хода, плотности тока короткого замыкания и коэффициента заполнения. Последний параметр оказался главным источником снижения эффективности.
Коэффициент заполнения (Fill Factor) — параметр, который показывает, насколько волть-ампернаяя характеристика элемента близка к прямоугольной характеристике идеального диода. Если FF низкий, то даже имея высокий ток и напряжение, элемент будет терять в эффективности. В свою очередь, снижение FF могут вызвать любые паразитные процессы в элементе: рекомбинация носителей заряды, сопротивление, перегрев отдельных частей и многие другие.
Чтобы сохранить FF, исследователи изменили процесс кристаллизации перовскитной пленки. Они охлаждали еще влажный материал в течение 15 секунд перед вакуумной обработкой, в результате чего его температура снижалась до 0–10 градусов Цельсия. Это замедляло превращение промежуточных соединений в кристаллический перовскит. По данным фотолюминесцентной спектроскопии и рентгеновской дифракции, промежуточная фаза сохранялась в пленке более чем вдвое дольше, чем при обычном изготовлении. В результате ученые получили пленки с более крупными и однородными кристаллическими зернами. Их поверхность стала более гладкой, а интенсивность фотолюминесценции увеличилась, что указывало на уменьшение безызлучательной рекомбинации зарядов. Кроме того, измерения показали, что подвижность электронов в перовските выросла более чем вдвое. Все это помогло улучшить перенос зарядов и уменьшить потери энергии внутри солнечного элемента.
Ожидаемо, повышение кристалличности вызвало улучшение всех параметров. Но больше всего вырос коэффициент заполнения: с 81 до 83,5 процента в лучшем образце. Мини-модуль площадью 19,48 квадратного сантиметра достиг сертифицированной эффективности 23,9 процента при коэффициенте заполнения 83,3 процента. Авторы также показали, что преимущество охлаждения сохраняется при переходе к еще более крупным устройствам.
Наконец, исследователи проверили, как технология влияет на стабильность модулей. При непрерывном освещении, соответствующем интенсивности солнечного света, эффективность устройств с охлажденной пленкой снижалась медленнее, чем у контрольных образцов. Таким образом, контроль кристаллизации помог ученым одновременно уменьшить потери эффективности при масштабировании и замедлить старение перовскитных солнечных модулей.
Ранее мы рассказывали о том, как ученые остановили утечки дырок в перовскитном диоде.