Австралийские ученые впервые произвели новое поколение экспериментальных солнечных энергетических элементов, которые проходят строгие стандарты испытаний Международной электротехнической комиссией по теплу и влажности.

Результаты исследований, являющиеся важным шагом на пути к коммерческой жизнеспособности перовскитовых солнечных элементов, опубликованы в журнале Science.

Солнечные энергетические системы в настоящее время широко распространены как в промышленности, так и в жилищном строительстве. Большинство современных систем используют кремний для преобразования солнечного света в полезную энергию.

Однако, коэффициент преобразования энергии кремния в солнечных панелях близок к достижению своих естественных пределов. Таким образом, ученые изучают новые материалы, которые могут быть уложены поверх кремния, чтобы улучшить скорость преобразования энергии. Одним из наиболее перспективных материалов на сегодняшний день является металлогалогенный перовскит, который может даже превосходить кремний по своим свойствам.

«Перовскиты — это действительно многообещающая перспектива для солнечных энергетических систем», — говорит профессор Анита Хо-Бейли, первая заведующая кафедрой нанонауки Джона Гука в Университете Сиднея. — «Они очень недороги, в 500 раз тоньше кремния и поэтому являются гибкими и ультралегкими.  Они также обладают огромными энергетическими свойствами и высокой степенью превращения солнечной энергии».

В экспериментальной форме за последние 10 лет производительность перовскитных ячеек улучшилась с низкого уровня до способности конвертировать 25,2% энергии Солнца в электричество, что сопоставимо с коэффициентами преобразования кремниевых ячеек, для достижения которых потребовалось 40 лет.

Однако незащищенные перовскитные ячейки не обладают прочностью ячеек на основе кремния, поэтому они еще не являются коммерчески жизнеспособными.

«Перовскитные ячейки должны будут соответствовать существующим коммерческим стандартам. Это то, что так интересно в наших исследованиях. Мы показали, что можем значительно улучшить их термостойкость», — поясняет профессор Хо-Бейли.

Ученые сделали это, подавив разложение ячеек перовскита, используя простое, недорогое полимерное стекло.

Работу возглавляет профессор Хо-Бейли, которая в этом году присоединилась к институту нанотехнологий Сиднейского университета.  Ведущий автор доктор Лей Ши проводил экспериментальную работу в исследовательской группе Хо-Бэйли в Школе фотоэлектрической и возобновляемой энергетики в Университете Нового Южного Уэльса, где профессор Хо-Бэйли остается адъюнкт-профессором.

При постоянном воздействии солнца и других элементов солнечные панели испытывают экстремальные температуры и влажность.  Эксперименты показали, что при таком напряжении незащищенные клетки перовскита становятся нестабильными, выделяя газ из своих структур.

«Понимание этого процесса, называемого «дегазацией», является центральной частью нашей работы по разработке этой технологии и повышению ее долговечности», — сообщает профессор Хо-Бейли.

«Мне всегда было интересно исследовать, как солнечные элементы на основе перовскита могут быть встроены в теплоизолированные окна, такие как вакуумное остекление. Поэтому нам нужно знать газоотдающие свойства этих материалов».

Недорогое решение

Впервые исследовательская группа использовала газовую хромато-масс-спектрометрию (ГХ-МС) для идентификации характерных летучих продуктов и путей разложения термически напряженных гибридных перовскитов, обычно используемых в высокоэффективных ячейках. Используя этот метод, они обнаружили, что дешевый полимерно-стекольный пакет с герметичным уплотнением был эффективен в подавлении перовскитового «газовыделения», процесса, приводящего к его разложению.

При переходе на строгие международные стандарты тестирования ячейки, над которыми работала команда, превзошли ожидания.

«Еще одним захватывающим результатом наших исследований является то, что мы способны стабилизировать перовскитные ячейки в жестких стандартных экологических условиях испытаний Международной электротехнической комиссии.  Ячейки не только прошли испытания на термоциклирование, но и превзошли жесткие требования испытаний на влажное тепло и замораживание», — поясняет профессор Хо-Бейли.

Эти испытания помогают определить, могут ли модули солнечных элементов выдерживать воздействие внешних условий эксплуатации, подвергая их многократному циклическому воздействию температуры от -40 до 85 градусов, а также воздействию 85-процентной относительной влажности.

В частности, солнечные элементы на основе перовскита выдержали более 1800 часов теста IEC «Damp Heat» и 75 циклов теста «Замораживание влажности», что впервые превысило требования стандарта IEC61215: 2016.

«Мы ожидаем, что эта работа будет способствовать прогрессу в стабилизации перовскитных солнечных элементов, увеличивая перспективы их коммерциализации», — говорит профессор Хо-Бейли.