Тройной переход перовскит-кремний, рекордный КПД 30,02%.

Исследователям EPFL PV-Lab удалось еще больше повысить производительность солнечных элементов с тройным переходом, состоящих из двух перовскитных пленок и кремниевого субблока, за счет улучшения управления носителями заряда.

Предел эффективности, который теоретически превышает 40%, еще далек, но комбинация перовскита и кремния с тройным соединением делает огромный прогресс на пути к цели.

Последний прогресс достигнут в лабораториях Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии, где группа ученых установила новый мировой рекорд в преобразовании света в электричество с помощью такой архитектуры: эффективность 30,02% на активной площади 1 см². Значение превышает предыдущий рекорд, установленный Национальным университетом Сингапура, на 2,92 процентных пункта.

Тройной переход перовскит-кремний против множественного соединения III-V

Результат был независимо сертифицирован и, даже если он закреплен в лабораторном масштабе, представляет собой огромный успех. «Мы продемонстрировали – объясняет исследователь Керем Артук, первый автор опубликованного исследования – что благодаря разумному дизайну и процессам мы можем достичь уровня производительности, традиционно предназначенного для более дорогих многопереходных солнечных элементов III-V, используемых в космосе и состоящих из нескольких слоев полупроводников. Они могут достигать эффективности до 37% и стоить примерно в 1000 раз дороже, чем наземные ячейки за ватт».

«Наш подход – заключает Артук – открывает двери новому поколению высокоэффективных и промышленно жизнеспособных многопереходных фотоэлектрических элементов».

Проблемы ячейки Перовскит/Перовскит/Si

Работа ученых EPFL была сосредоточена на двух текущих узких местах фотоэлектрических систем с тройным соединением перовскит-кремний. Во-первых, это дефицит напряжения холостого хода (Voc) в верхней ячейке, состоящей из широкозонного перовскита. Задача этого устройства — улавливать фотоны высокой энергии (синий/УФ-свет), но генерируемое напряжение часто ниже, чем теоретически возможно, исходя из ширины запрещенной зоны материала. Причина в основном связана с дефектами на поверхности перовскита или на границе со слоями переноса заряда, усиливающими рекомбинацию носителей заряда.

Другая проблема: общий ток устройства ограничен промежуточной перовскитной ячейкой, которая может не суметь захватить достаточное количество фотонов для балансировки системы. Причина? по существу структурный, поскольку этот слой обычно тоньше двух других. Но очевидно, что поскольку разные элементы соединены последовательно, общий ток устройства ограничивается тем, который генерирует меньше всего.

Тройное решение

Чтобы решить эти технические проблемы, команда внесла три изменения в материал и оптическую конструкцию устройства. Во-первых, он добавил добавку (4-гидроксибензиламин), которая стимулирует образование кристаллов перовскита, устраняя дефекты и позволяя верхней ячейке генерировать более высокий Voc (1,4 В).

Однако, чтобы преодолеть текущие ограничения, был разработан новый трехэтапный метод изготовления промежуточной ячейки с более толстым, но однородным и структурно неповрежденным слоем перовскита.

Команда также добавила наночастицы оксида кремния между нижней кремниевой ячейкой и средней перовскитовой ячейкой. Эти частицы действуют как оптический отражатель, направляя часть солнечного света обратно ко второй ячейке и тем самым увеличивая как поглощение фотонов, так и фототок.

Исследование «Солнечные элементы с тройным переходом с улучшенным управлением носителями и фотонами», автором которого является Керем Артук и др., было опубликовано в журнале Nature (текст на английском языке).