Китайски учени поставиха нов световен рекорд за следващо поколение слънчеви клетки, доближавайки леката, гъвкава и високоефективна слънчева енергия до ежедневната употреба във всичко – от устройства за носене до космически станции.
Изследователите постигнаха сертифицирана стабилна ефективност на преобразуване на енергия от 28,04 процента, използвайки перовскитно-органична тандемна слънчева клетка. Тази тандемна архитектура интегрира две допълващи се субклетки, поглъщащи светлина, за събиране на по-широк диапазон от слънчевия спектър в сравнение с традиционните еднослойни устройства.
Изследването е публикувано в понеделник в списание Nature.
За разлика от традиционните силициеви слънчеви клетки – които обикновено са твърди и изискват високотемпературно производство – тези клетки от следващо поколение използват смес от „перовскит“ – синтетична кристална структура с висока персонализация и органични материали. Тъй като са леки, гъвкави и могат да се отпечатват при ниски температури като мастило върху хартия, те обещават по-евтин и лесен път към масово производство.
В перовскитно-органична тандемна слънчева клетка, горният перовскитен слой е персонализиран да улавя високоенергийна светлина като ултравиолетови лъчи, докато органичният долен слой абсорбира близка инфрачервена светлина. Двата материала работят в тандем: горният слой блокира суровите ултравиолетови лъчи, които биха могли да повредят органичния долен слой, докато водоустойчивият органичен слой защитава чувствителния към влага перовскит над него.
„Този дизайн позволява на учените да „настроят“ материала, като по същество коригират специфичните цветове на светлината, които той абсорбира“, каза Мен Лей, професор в Института по химия на Китайската академия на науките и съответен автор на изследването.
Въпреки обещанието си, хибридните слънчеви клетки отдавна са изправени пред голяма пречка: вътрешно химическо разделяне.
За да абсорбира правилните цветове на светлината, перовскитният слой е направен чрез включване на различни халидни компоненти, особено йодид и бромид. Тези компоненти обаче са склонни да се разделят. Те не успяват да се смесят равномерно по време на превръщането на прекурсор във филм и кристализацията и се отделят отново при продължително излагане на слънчева светлина по време на работа. Това химическо разделяне създава микроскопични дефекти, което води до бързо разграждане на слънчевата клетка.
За да реши това, екипът на Meng създаде интелигентна, фото-трансформируема адитивна молекула, наречена TDB.
TDB действа като двустепенен стабилизатор. По време на производството той регулира динамиката на кристализация и насърчава хомогенното смесване на халидите по време на образуването на филм. След това, след като слънчевата клетка работи на слънце, светлината задейства TDB молекулите в микроскопичните граници на материала да се трансформират, свързвайки се плътно с повърхността. Това потиска миграцията на халиди и предотвратява образуването на дефекти под слънчева светлина.
„Светлинно трансформируемият характер на TDB му позволява последователно да се справя с предизвикателствата на два различни етапа“, каза Ву Руйхан, докторант в института и първият автор на изследването.
Резултатите дадоха изключително стабилна, високопроизводителна слънчева клетка. Оптимизираният перовскитен слой постигна напрежение на отворена верига – максималното напрежение, генерирано от слънчевата клетка при осветяване – от 1,42 волта, рекорд за този клас слънчеви клетки.
Когато е напълно интегрирана в тандемното устройство, технологията достига обща ефективност на преобразуване на енергия от 28,80 процента, със сертифицирана стабилна ефективност от 28,04 процента. Най-важното е, че устройството запази 90 процента от първоначалната си производителност след 625 часа непрекъснато осветление, демонстрирайки, че високата ефективност не трябва да идва за сметка на издръжливостта.
Li Yongfang, академик на CAS и съответен автор на изследването, каза, че тези ултра леки, гъвкави клетки могат да ускорят глобалния преход към чиста енергия.
Ли отбеляза, че технологията притежава силен потенциал за наземни приложения, като слънчеви панели, интегрирани директно в прозорци на сгради, носима електроника, дронове и преносими захранващи блокове. Може също така да се окаже жизненоважен за аерокосмически приложения, включително захранване на сателити, космически станции и мисии в дълбокия космос.