Перовскит вместо кремния

Сегодня самым популярным типом солнечных элементов остаются элементы на основе кремния ― такие устройства занимают около 95% современного рынка фотовольтаических элементов для преобразования солнечной энергии. Вместе с тем, несмотря на то, что за последние 10–15 лет их КПД вырос с 16% до 20% (в лабораторных экземплярах он достигает порядка 24–26%), их эффективность не так высока. Теоретическим пределом кремниевых монокристаллических батарей называют цифру порядка 29,4%.

Есть у них и другие недостатки. Чтобы поглотить нужное количество света, кремниевые солнечные элементы должны быть достаточно толстыми, поэтому их неудобно использовать при создании гибких солнечных панелей.

Поэтому на роль полупроводников для создания солнечных элементов ученые рассматривают и другие материалы ― в частности, перовскиты. Это легкий, тонкий и дешевый полупроводник, который легко масштабировать, а на его основе можно создавать тонкие солнечные элементы с разной формой изгиба и малым весом. Теоретически из перовскитов можно создать легкие портативные источники энергии для чего угодно: телефона, наушников и даже умного дома.

Однако у перовскитов, как и у любых полупроводников, тоже есть свои ограничения — например, они могут поглощать только определенную часть спектра. На практике это значит, что солнечные элементы на основе перовскитов также будут поглощать определенную часть спектра света и, соответственно, вырабатывать меньше энергии, чем поступает от источника. Решить проблему можно, разработав многопереходные солнечные элементы — или, проще говоря, элементы, состоящие из нескольких полупроводниковых материалов, например, перовскита и A3B5 полупроводников, каждый из которых будет ориентирован на поглощение определенной части солнечного спектра.

Что придумали в ИТМО

Ученые ИТМО совместно с коллегами из Алферовского университета и римского университета Тор Вергата провели эксперименты с достаточно новым и перспективным классом соединений A3B5 — полупроводниковыми материалами. Это нитевидные нанокристаллы, по своей структуре напоминающие наноиголки. Для перовскитных солнечных батарей они использовались впервые.

Среди других проводников их выделяют подходящие электрофизические свойства: они отлично поглощают свет, имеют низкие оптические потери, оптимальную теплопроводность и участвуют в переносе зарядов. В частности, некоторые лабораторные образцы солнечных элементов, состоящие из нескольких фотоактивных полупроводников, поглощают почти большую часть солнечного спектра и преобразуют его в электроэнергию с КПД 40%, что считается достаточно высоким результатом.

Благодаря использованию полупроводников А3В5 в перовскитных элементах ученые смогли увеличить эффективность преобразования света в электричество с 17% до 18,8% за счет улучшения транспорта свободных зарядов.

Как проходила работа

Сначала ученые отбирали разновидности полупроводников А3В5, физические свойства которых наиболее перспективны для их включения в солнечные элементы на основе перовскитов. Таким материалом стал фосфид галлия (GaP). Наноматериалы на его основе обладают низкими оптическими потерями, оптимальными электрофизическими свойствами и хорошо локализуют свет, поэтому считаются перспективными для изготовления современных оптоэлектронных устройств.

Нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия ученые внедрили в перовскитные солнечные элементы. Объединение двух разных полупроводников (перовскита и A3B5) позволило получить солнечный элемент, который способен вырабатывать больше электроэнергии. Такого эффекта удалось достичь за счет оптимизации транспорта зарядов: введенные нанокристаллы выполняют функцию каналов проводимости для образовавшихся под действием света свободных зарядов.

«Мы впервые попробовали соединить два типа полупроводника, построили энергетические диаграммы для устройств с введенными полупроводниками, нашли оптимальный состав нитевидных нанокристаллов, который подходит для транспорта заряда в перовскитных солнечных элементах. Также мы создали прототип солнечного элемента на основе фосфида галлия и за счет этого повысили коэффициент полезного действия солнечных элементов с 17% до 18,8%. В дальнейшем наша работа послужит основой для создания солнечных элементов с несколькими фотоактивными слоями на основе А3В5 и перовскитов», — рассказала кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник физического факультета Александра Фурасова.

Что дальше

Наработки ученых можно использовать в различных тонкопленочных солнечных элементах с разным составом активного материала, а также в других оптоэлектронных устройствах. Например, они будут полезны при создании солнечных элементов для легких автономных электронных устройств и космических спутников. Благодаря использованным полупроводникам солнечные элементы получатся легкими — а чем меньше вес элементов, тем меньше топлива нужно, чтобы поднять спутник на орбиту. Также разработку можно использовать при создании беспроводного источника энергии для интернета вещей.

В будущем ученые планируют создать солнечные элементы с другими наноструктурами на основе А3В5 полупроводников.

Статья: Aleksandra Furasova, Maria Baeva, Alexey M. Mozharov, Pavel Tonkaev, Sergey Raudik, Vladimir Neplokh, Vladimir V. Fedorov, Francesco Di Giacomo, Ivan S. Mukhin, Sergey V. Makarov, Aldo Di Carlo (ACS Applied Energy materials, 2023)