Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) выявили критические наномасштабные явления, способные повысить эффективность и долговечность перовскитовых солнечных элементов, напрямую связывая фундаментальные исследования с коммерческими потребностями в возобновляемой энергетике.
Развитие возобновляемых источников энергии требует создания устройств, способных обеспечить высокую конверсию солнечного света при низкой себестоимости производства. Перовскитовые технологии, предлагающие потенциал для более эффективного преобразования энергии по сравнению с кремниевыми, отвечают вызовам современной энергетики.
Основной проблемой использования перовскитов является неоднородное распределение катионов в тонких пленках, что вызывает неблагоприятный фазовый переход при воздействии света, влаги и термомеханических нагрузок и приводит к постепенному ухудшению характеристик элементов.
Команда HKUST сосредоточилась на исследовании деталей на наноуровне, обнаружив «нанождорожные ловушки» на стыках зерен, где захваченные катионы препятствуют их межзерновой диффузии. Для визуализации этих ловушек применена продвинутая технология катодолюминесцентной визуализации, позволяющая детально проследить связь между наноархитектурой и распределением катионов.
Применение рациональной химической стратегии с добавлением бутиламмония ацетата позволило уменьшить глубину ловушек втрое, что обеспечило однородное распределение катионов в пленке. Это инженерное решение стало существенным шагом на пути к улучшению производительности перовскитовых солнечных элементов.
Инженерные образцы продемонстрировали эффективность преобразования солнечной энергии, приближающуюся к 26%, и доказали высокую стабильность по стандартным тестам. Равномерное распределение катионов оказалось ключевым фактором, обеспечивающим одновременно высокую эффективность и долговечность устройств.
Работа проводилась под руководством доцента кафедры химической и биологической инженерии, а также заместителя директора Энергоинститута HKUST, проф. Чжоу Юаньюань, с активным участием доктора Хао Минвэя, постдока HKUST, и проф. Махшид Ахмади из Университета Теннесси (Knoxville). Дополнительно исследование поддержали коллективы Yale University, Oak Ridge National Laboratory, Yonsei University и Гонконгский баптистский университет.
Проф. Чжоу отметил: «Большинство существующих исследований фокусируются на микроскопическом или макроскопическом уровнях для улучшения перовскитовых солнечных элементов. Однако наша команда исследовала детали вплоть до наномасштаба». Доктор Хао Минвэй подчеркнул: «Перовскит – это мягкая решетчатая структура, обладающая уникальными свойствами, что требует глубокого понимания механизмов для продвижения коммерческой жизнеспособности этих устройств».
Опубликованная в журнале Nature Nanotechnology статья «Наноскопическая гомогенизация катионов через зерновые границы в перовскитовых солнечных элементах» демонстрирует, что детальные исследования на наноуровне способны преодолеть давнюю проблему стабильности, что открывает новые перспективы для широкого применения перовскитовых технологий в возобновляемой энергетике.
Изображение носит иллюстративный характер
Развитие возобновляемых источников энергии требует создания устройств, способных обеспечить высокую конверсию солнечного света при низкой себестоимости производства. Перовскитовые технологии, предлагающие потенциал для более эффективного преобразования энергии по сравнению с кремниевыми, отвечают вызовам современной энергетики.
Основной проблемой использования перовскитов является неоднородное распределение катионов в тонких пленках, что вызывает неблагоприятный фазовый переход при воздействии света, влаги и термомеханических нагрузок и приводит к постепенному ухудшению характеристик элементов.
Команда HKUST сосредоточилась на исследовании деталей на наноуровне, обнаружив «нанождорожные ловушки» на стыках зерен, где захваченные катионы препятствуют их межзерновой диффузии. Для визуализации этих ловушек применена продвинутая технология катодолюминесцентной визуализации, позволяющая детально проследить связь между наноархитектурой и распределением катионов.
Применение рациональной химической стратегии с добавлением бутиламмония ацетата позволило уменьшить глубину ловушек втрое, что обеспечило однородное распределение катионов в пленке. Это инженерное решение стало существенным шагом на пути к улучшению производительности перовскитовых солнечных элементов.
Инженерные образцы продемонстрировали эффективность преобразования солнечной энергии, приближающуюся к 26%, и доказали высокую стабильность по стандартным тестам. Равномерное распределение катионов оказалось ключевым фактором, обеспечивающим одновременно высокую эффективность и долговечность устройств.
Работа проводилась под руководством доцента кафедры химической и биологической инженерии, а также заместителя директора Энергоинститута HKUST, проф. Чжоу Юаньюань, с активным участием доктора Хао Минвэя, постдока HKUST, и проф. Махшид Ахмади из Университета Теннесси (Knoxville). Дополнительно исследование поддержали коллективы Yale University, Oak Ridge National Laboratory, Yonsei University и Гонконгский баптистский университет.
Проф. Чжоу отметил: «Большинство существующих исследований фокусируются на микроскопическом или макроскопическом уровнях для улучшения перовскитовых солнечных элементов. Однако наша команда исследовала детали вплоть до наномасштаба». Доктор Хао Минвэй подчеркнул: «Перовскит – это мягкая решетчатая структура, обладающая уникальными свойствами, что требует глубокого понимания механизмов для продвижения коммерческой жизнеспособности этих устройств».
Опубликованная в журнале Nature Nanotechnology статья «Наноскопическая гомогенизация катионов через зерновые границы в перовскитовых солнечных элементах» демонстрирует, что детальные исследования на наноуровне способны преодолеть давнюю проблему стабильности, что открывает новые перспективы для широкого применения перовскитовых технологий в возобновляемой энергетике.
