Перовскиты: почему несовершенство делает солнечные батареи эффективнее кремниевых

Современная фотовольтаика долгое время опиралась на догму о том, что для максимальной эффективности полупроводниковый материал должен обладать идеально чистой кристаллической структурой. Однако исследования физиков из Института науки и технологий Австрии (ISTA) опровергают этот постулат. Ученые доказали, что в перовскитных солнечных элементах структурные дефекты не только допустимы, но и способствуют лучшему сбору электрического заряда.

Преимущество «дефектных» материалов

Кремниевые солнечные панели требуют сложного процесса производства для создания идеально однородных кристаллов. В отличие от них, перовскиты — соединения на основе свинца и галогенов — способны демонстрировать высокую эффективность, даже будучи изготовленными из дешевых растворов. Долгое время оставалось загадкой, каким образом эти «неидеальные» материалы столь успешно транспортируют заряды, несмотря на наличие множества внутренних неоднородностей.

Исследовательская группа из ISTA под руководством Чжанибека Альпикшева и Дмитрия Рака впервые предложила физическое объяснение этого процесса. Согласно их данным, ключом к успеху являются сети так называемых доменных стенок — областей раздела внутри кристалла.

Механизм разделения зарядов

В солнечных элементах свет преобразуется в пары из электронов (отрицательный заряд) и «дырок» (положительный заряд). Чтобы выработать ток, эти частицы должны быть разделены и направлены к электродам. В обычном кремнии путь электрона к электроду напоминает идеально ровное шоссе. В перовскитах же путь заполнен препятствиями, которые, казалось бы, должны приводить к потере заряда.

Эксперименты ISTA с использованием нелинейных оптических методов показали, что внутри перовскитных кристаллов существуют скрытые внутренние силы. Когда электронно-дырочная пара (экситон) приближается к доменной стенке, локальное электрическое поле мгновенно разводит их по разные стороны этой границы. Это предотвращает рекомбинацию зарядов и позволяет им эффективно достигать электродов, превращая структурные дефекты в своего рода «скоростные магистрали» для электричества.

Практическая значимость открытия

Для подтверждения своей теории ученые применили метод электрохимического окрашивания, внедрив ионы серебра в качестве маркеров. Этот процесс, по сути, стал аналогом медицинской ангиографии, позволив визуализировать микроструктуру кристалла и подтвердить расположение зарядов вдоль доменных стенок.

• Разрешен давний научный спор о природе высокой эффективности перовскитов.
• Доказана возможность работы солнечных элементов без необходимости выращивания сверхчистых монокристаллов.
• Снижение производственных затрат может сделать возобновляемую энергетику доступнее для развивающихся регионов.

Открытие ISTA позволяет пересмотреть подходы к проектированию фотоэлектрических систем. Понимание того, как именно «несовершенства» перовскитов способствуют разделению зарядов, дает инженерам инструменты для создания еще более дешевых и эффективных солнечных батарей нового поколения.

Твитнуть