Наука, лежащая в основе перовскитных солнечных элементов: подробное руководство

Солнечные элементы на основе перовскита стали многообещающей альтернативой обычным солнечным элементам на основе кремния благодаря их уникальным свойствам и потенциалу недорогого и высокоэффективного производства энергии. В последние годы эффективность перовскитных солнечных элементов резко возросла, достигнув уровня, сравнимого с эффективностью традиционных солнечных элементов. Этот быстрый прогресс вызвал широкий интерес в научном сообществе, поскольку исследователи работают над раскрытием всего потенциала этой инновационной технологии. Чтобы лучше понять науку, лежащую в основе перовскитных солнечных элементов, необходимо углубиться в их структуру, состав и принципы работы.

Солнечные элементы из перовскита названы в честь кристаллической структуры перовскита, которая была впервые обнаружена в 19 веке русским минералогом Львом Перовским. Термин «перовскит» относится к семейству материалов со специфической кристаллической структурой, характеризующейся большим положительно заряженным ионом металла (например, свинца или олова), окруженным клеткой отрицательно заряженных ионов (таких как галогениды, такие как йод, бром, или хлор). Наиболее часто используемый перовскитный материал в солнечных элементах — галогенид свинца метиламмония (CH3NH3PbX3, где X может обозначать йод, бром или хлор).

Уникальные свойства перовскитных материалов делают их идеальными для использования в солнечных элементах. Они имеют высокий коэффициент поглощения, то есть могут поглощать большое количество солнечного света и преобразовывать его в электричество. Кроме того, перовскитные материалы имеют большую длину диффузии носителей заряда, что позволяет носителям заряда (электронам и дыркам) перемещаться на большие расстояния внутри материала без рекомбинации. Это приводит к более высокой вероятности того, что носители заряда достигнут электродов и генерируют электрический ток.

Перовскитовые солнечные элементы обычно состоят из нескольких слоев, каждый из которых выполняет определенную функцию. Нижний слой, известный как слой переноса электронов (ETL), изготовлен из материала, избирательно переносящего электроны, такого как диоксид титана (TiO2) или оксид цинка (ZnO). Над ЭТЛ находится слой перовскита, который поглощает солнечный свет и генерирует носители заряда. Поверх слоя перовскита находится слой транспорта дырок (HTL), изготовленный из материала, избирательно переносящего дырки, такого как спиро-OMeTAD или PEDOT:PSS. Наконец, на HTL наносится металлический электрод, например золотой или серебряный, для сбора носителей заряда и генерации электрического тока.

Когда солнечный свет падает на слой перовскита, фотоны с достаточной энергией возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости, создавая электронно-дырочные пары. Электрическое поле внутри солнечного элемента разделяет эти носители заряда, при этом электроны мигрируют к ETL, а дырки — к HTL. Избирательные транспортные свойства ETL и HTL гарантируют, что электроны и дырки не рекомбинируют, позволяя им достигать электродов и генерировать электрический ток.

Одним из основных преимуществ перовскитных солнечных элементов является возможность их недорогого производства. В отличие от солнечных элементов на основе кремния, которые требуют высокотемпературной обработки и дорогих материалов, солнечные элементы на основе перовскита могут быть изготовлены с использованием методов на основе растворов, таких как центрифугирование или струйная печать. Это позволяет производить тонкие, легкие и гибкие солнечные элементы за небольшую часть стоимости традиционных солнечных элементов.

Несмотря на свои многообещающие свойства, солнечные элементы на основе перовскита по-прежнему сталкиваются с рядом проблем, которые необходимо решить, прежде чем они смогут получить широкое распространение. Одной из основных проблем является их долговременная стабильность, поскольку перовскитные материалы чувствительны к влаге, теплу и ультрафиолетовому свету. Исследователи активно работают над разработкой новых материалов и архитектур устройств для повышения стабильности и долговечности перовскитных солнечных элементов.

В заключение, наука, лежащая в основе перовскитных солнечных элементов, предлагает многообещающий путь к недорогому и высокоэффективному производству солнечной энергии. Поскольку исследователи продолжают исследовать и оптимизировать свойства перовскитных материалов, вполне вероятно, что в ближайшие годы мы увидим значительный прогресс в этой интересной области.