Ученые НИТУ «МИСиС» и университета Tor Vergata (Милан, Италия) выявили, что микроскопическая доза двумерного карбида титана в составе перовскитного фотоэлемента значительно меняет его способность собирать электрические заряды, увеличивая итоговую эффективность до 20.14%. Результаты исследования опубликованы в престижном международном журнале Nature Materials.
Перовскитные тонкопленочные фотоэлементы — активно развивающаяся во всем мире технология альтернативной энергетики. Их преимущества — дешевизна производства (солнечные батареи из перовскитов можно печатать на специальных струйных или матричных принтерах без применения вакуумных процессов) по сравнению с традиционными кремниевыми. Гибкость, так как их можно изготавливать на подложках из ПЭТ — лавсана — обычного материала для пластиковых бутылок и компактность, за счет которых пленочные фото-модули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол, получая независимый обогрев, либо электропитание.
Однако перовскиты пока нестабильны и быстро деградируют, хотя и выдают сопоставимые КПД по сравнению с кремниевыми аналогами (рекорд КПД для перовскитов — 25.2 %, для кремниевых элементов — 26.7 %). Увеличением эффективности перовскитных фото-элементов в настоящее время заняты многие научные коллективы по всему миру, и большинство исследований касаются подбору химического состава перовскита, стабилизации работы устройств и внедрением новых наноматериалов.
Международный коллектив лаборатории перспективной солнечной энергетки (L.A.S.E. — Laboratory for Advanced Solar Energy) и кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» и исследователей итальянского университета Tor Vergata под руководством профессора Альдо ди Карло предложил оригинальное решение — обогащение (допирование) перовскита двумерными веществами на основе карбида металла (максенами).
«Мы обнаружили, что максены, благодаря своей уникальной двумерной структуре, могут быть использованы для настройки поверхностных свойств перовскита, что позволяет разработать новую стратегию оптимизации для этих солнечных элементов третьего поколения», — прокомментировал профессор Альдо Ди Карло.
Тонкопленочный перовскитный фотоэлемент имеет структуру сэндвича, между слоями которого происходит процесс сбора электронов, в результате которого энергия солнечного света преобразуется в электрическую. Грубо говоря, чем менее энергозатратно происходит этот процесс электронного перемещения, тем эффективнее работает весь модуль, а добавка максена улучшает этот процесс.
«Для повышения эффективности солнечных батарей на основе перовскита необходимы тщательная сборка устройства и разработка внутреннего „интерфейса“ батареи для улучшения оптоэлектронных свойств и процесса извлечения заряда на электродах, — рассказал один из авторов работы инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ „МИСиС“ Данила Саранин. — Для решения этой задачи совместно с нашими итальянскими коллегами мы провели серию экспериментов по внедрению наноматериала на основе карбида титана в микроскопическом количестве 0,14 мг/мл практически во все внутренние структуры перовскитного модуля. В результате удалось повысить эффективность солнечной батареи более чем на 25 % по сравнению с исходным прототипами».
Максены последовательно внедрялись в разные слои перовскитного солнечного элемента. Были испытаны конфигурации с внедрением максенов в фотопоглощающий перовскитный слой, в электронно-транспортный слой диоксида титана, а также на «интерфейс» между ними. После анализа полученных результатов ученые выявили, что эффект ярче всего проявляется, когда максены присутствуют во всех описанных слоях, а также и на интерфейсе. Экспериментальные результаты подтверждены соответствующим моделированием полученных структур.
Работа международного коллектива уникальна тем, что это первая научная работа в мире, которая не только описала серию экспериментов и полученные результаты, но и объяснила механизмы, происходящие в модифицированном перовскитес физико-химической точки зрения.
«Главным результатом данной работы является обнаружение изменения электрофизических свойств полупроводников при их модификации максенами, что открывает большие перспективы в будущем для использования нового наноматериала в реальном производстве», — добавила один из соавторов исследования, научный сотрудник кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Анна Позняк.
В настоящее время коллектив работает над стабилизацией полученного устройства и увеличением его эффективности.
Исследование проводилось в рамках Мегагранта правительства РФ.
