Новая технология производства солнечных батарей — печать на любых поверхностях
AU of T Engineering innovation может сделать производство солнечных батарей легкой и недорогой, печатая их как газеты.
Доктор Hairen Tan и его команда убрали препятствие в развитии сравнительно нового класса солнечных устройств под названием перовскитные солнечные батареи. Эта альтернативная солнечная технология может привести к низкой стоимости, с возможностью печати солнечных батарей, способной превратить практически любую поверхность в генератор.
«Эффект масштаба существенно снизит стоимость кремниевого производства», — говорит профессор Ted Sargent, эксперт по новым солнечным технологиям и на Кафедре Канадской Исследовательской работы в области нанотехнологий. «Перовскитные солнечные батареи позволяют нам использовать приемы, которые уже установлены в полиграфической промышленности для производства солнечных батарей по очень низкой стоимости. Потенциально, молекулы перовскиты и кремния могут быть в паре для дальнейшего повышения эффективности, но только с развитием низкотемпературных процессов».
Сегодня практически все коммерческие солнечные элементы изготавливаются из тонких кусочков кристаллического кремния, которые должны быть обработаны до очень высокой чистоты. Это энергоемкий процесс, требующий температур, превышающих 500 С0 и огромное количество опасных растворителей.
В отличие от этого, перовскитные солнечные батареи потребляют энергию от слоя мелких кристаллов — примерно в 1000 раз меньше, чем ширина человеческого волоса — из недорогих, светочувствительных материалов. Так как перовскитное сырье может быть смешано в жидкости, чтобы сформировать своего рода солнечные чернила, они могут быть напечатаны на стекло, пластик или другие материалы, используя простой процесс струйной печати.
Но, есть одна проблема: для того, чтобы генерировать электричество, электроны, вызванные солнечным излучением, должны быть извлечены из кристаллов. Извлечение происходит в специальном слое, который называется электрон селективного слоя, или ESL. Трудность изготовления хорошего ESL была одной из главных проблем, сдерживающей развитие перовскитных солнечных батарей. Наиболее эффективные материалы для изготовления ESL были в виде порошка и сплавлялись при высоких температурах, выше 500 С0, что мешало накладывать на верхнюю часть листа гибкого пластика или на полностью готовую ячейку кремния – они просто расплавятся.
Тан и его коллеги разработали новую химическую реакцию, которая позволяет вырасти ESL из наночастиц в растворе, непосредственно на верхней части электрода. Хотя нагрев по-прежнему требуется, процесс всегда остается ниже 150 С0, что намного ниже точки плавления многих пластмасс. Новые наночастицы, покрытые слоем атомов хлора, которые помогают привязать слой перовскита на поверхности — это сильная привязка позволяет для эффективного извлечения электронов. В статье, недавно опубликованной в журнале Science, Тан и его коллеги сообщают об эффективности солнечные батареи, изготовленные с использованием нового метода на 20,1 %.
Перовскит солнечные батареи, используя старый, высокотемпературный метод, лишь незначительно лучше на 22,1 %, и даже у лучших кремниевых солнечных батарей максимум 26,3 %. Еще одним преимуществом является стабильность. У многих перовскитных солнечных батарей резко падает производительность, спустя всего лишь несколько часов, а молекулы Тана сохраняют более 90 % от их эффективности даже после 500 часов использования.
«Расчетные исследования команды Торонто хорошо объясняют роль вновь созданного электронно селективного слоя. В работе показан вклад в область вычислительного материаловедения, рациональность использования в энергетических устройствах следующего поколения» — сказал профессор Alan Aspuru-Guzik, эксперт на Кафедре химии и химической биологии Компьютерного Материаловедения Гарвардского университета, который не участвовал в работе.
Сохраняя хладнокровие в процессе производства, открывается целый мир возможностей для применения фотоэлементов из перовскита, например на крышке смартфона или, тонируя дисплей, что снижает потребление энергии. В ближайшей перспективе, технология Тана может быть использована в тандеме с обычными солнечными батареями. Низкая температура нанесения, дала возможность покрыть молекулы перовскита прямо поверх кремния без повреждения основного материал. Гибрид перовскита кремния может увеличить эффективность до 30 % и выше, что делает солнечную энергию экономически выгоднее».
В ноябре прошлого года ученые из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли добились рекордного КПД. В пиковый период эффективность новых солнечных элементов достигала 26%. Прорыва удалось добиться благодаря сочетанию двух перовскитных материалов, каждый из которых впитывает разные длины волн солнечного света. Похожая методика позволила японским ученым удвоить КПД солнечных элементов. Повысить эффективность инженеры также пытаются с помощью экспериментов с материалами — фотолюминесцентными и светопоглощающими.
