Эффективные перовскитовые ячейки со структурированным антибликовым слоем

20.10.2023

Солнечные элементы на основе перовскита, которые широко рассматриваются как преемники доминирующих в настоящее время кремниевых элементов, благодаря их простому и экономичному процессу производства в сочетании с превосходными эксплуатационными характеристиками, в настоящее время являются предметом углубленных исследований.

Команда ученых из Института солнечной энергии Фраунгофера ISE и физического факультета Варшавского университета представила перовскитовые фотоэлектрические элементы со значительно улучшенными оптоэлектронными свойствами в журнале Advanced Materials Interfaces. Снижение оптических потерь в элементах следующего поколения, как показано в статье, является одной из ключевых задач для их более широкого внедрения.

За последние 20 лет фотовольтаика претерпела значительное развитие, учитывая как эффективность панелей, так и установленную мощность, которая с 2000 года увеличилась во всем мире в ошеломляющие 1000 раз.

Кремний был наиболее часто используемым материалом для изготовления фотоэлектрических панелей, однако в настоящее время элементы на основе этого элемента приближаются к пределам своей физической эффективности. Поэтому ученые активно изучают инновационные решения, направленные на повышение эффективности ячеек и одновременное обеспечение более дешевого и экологически чистого производства.

Элементы на основе перовскита отвечают обоим этим критериям, обеспечивая эффективность выше 26%, простоту и рентабельность производства с использованием хорошо зарекомендовавших себя химических методов. В настоящее время многочисленные научно-исследовательские институты по всему миру работают над повышением их эффективности и устойчивости к атмосферным условиям. Одной из задач, с которой они сталкиваются, является интеграция перовскитовых элементов с кремниевыми при одновременном снижении потерь от отражения и паразитного поглощения.

Чтобы свести к минимуму эти потери, кремниевые элементы обычно травятся сильнокоррозионными химическими веществами – процесс, который создает микроскопический пирамидальный рисунок на поверхности, эффективно уменьшая отражение всего устройства, тем самым увеличивая ток, генерируемый устройством. К сожалению, перовскиты чувствительны ко многим химическим веществам, поэтому до сих пор использовались менее эффективные плоские антибликовые покрытия, наносимые методом менее инвазивного распыления.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials Interfaces, ученые использовали метод наноимпринтинга для создания эффективной антибликовой структуры с сотовидной симметрией поверх перовскитового солнечного элемента. Этот метод позволяет создавать структуры нанометрового масштаба на очень больших поверхностях, превышающих 100 см2.

“Такой подход гарантирует масштабируемость в процессе производства устройств с большой поверхностью, что имеет решающее значение в контексте острой необходимости преобразования энергии в сторону возобновляемых источников”, – говорит Мацей Краевский, исследователь с физического факультета Варшавского университета. Такие модифицированные образцы демонстрируют более высокую эффективность по сравнению с ячейками, использующими ранее применявшиеся плоские антибликовые слои.

В дополнение к повышению эффективности, еще одним важным выводом из опубликованной работы является то, что процедура нанесения этого слоя не повреждает перовскит, открывая возможность использования других структур, адаптированных к конкретной архитектуре ячейки. До сих пор ученые применяли аналогичные антибликовые структуры в виде отдельно подготовленных слоев, которые переносились в ходе другого технологического процесса, который неизбежно был мелкомасштабным и подверженным повреждению активного слоя.

Используя метод прямой наноимпринтинга, становится возможным изготовление всего устройства в больших масштабах и в рамках единого технологического процесса, что имеет решающее значение для снижения общей стоимости устройства.

Кроме того, применяемый метод совместим с тандемной конфигурацией, т.е. комбинацией кремниевых и перовскитовых элементов, что открывает совершенно новые возможности для его применения. Следовательно, существует потенциал для прямого переноса процедуры на новые фотоэлектрические архитектуры, что может привести к дальнейшему повышению эффективности. Опубликованные результаты открывают путь к созданию новых фотоэлектрических устройств с выдающимися оптоэлектронными свойствами, в производстве которых используются методы наноимпринтинга.