×

Структурная схема гибкого устройства и его физические объекты, а также кривая проверки эффективности гибкой перовскитной батареи, полученной на основе химической водяной бани. Источник.

Перовоскит, класс соединений со специфической кристаллической структурой из двух разнокалиберных катионов и одного аниона, нашёл своё применение в создании солнечных панелей, наделив их гибкостью. Этим изделиям, названным FPSC (гибкие перовскитные солнечные элементы) прочат множество применений в гибкой электронике и даже аэрокосмической промышленности. Тем не менее, при обладании уникальными преимуществами вроде тонкости, изменяемой формы и высокого отношения мощности к массе, их применение до сих пор не вышло на, казалось бы, гарантированные масштабы. Радужным перспективам мешает пара досадных изъянов: низкая эффективность преобразования энергии и куда меньшая, чем у жёстких стеклянных аналогов, долговечность.

Проблема растёт из неоднородности характеристик гибкого основания солнечных элементов, сделанного из полиэтилентерефталата (ПЭТ), из которого и производятся перовскитовые плёнки. Наделяя всю конструкцию гибкостью, поры этих подложек одновременно являются источниками проблем, позволяя воде и кислороду проникать в перовскитовый материал, вызывая его разложение.

Решение этого момента стало камнем преткновения на пути реализации потенциала всей технологии гибких солнечных панелей, и, похоже, наука стала немного ближе к достижению цели. Группа китайских учёных-материаловедов из Государственной ключевой лаборатории эксплуатации энергосистем и контроля Университета Цинхуа и Центра передового опыта в области нанонауки при Национальном центре нанонауки и технологий разработала новый производственный подход, который повышает эффективность FPSC, открывая возможности для их использования в гораздо более широких масштабах, чем даже предполагалось ранее. Команда опубликовала своё исследование в iEnergy.

«Повышение эффективности преобразования энергии FPSC имеет решающее значение по нескольким причинам: более высокая эффективность ... делает FPSC более конкурентоспособными по сравнению с другими технологиями солнечных элементов, снижает стоимость за ватт вырабатываемой электроэнергии… и ресурсы, необходимые для производства такого же количества электроэнергии, расширяют диапазон применений, где FPSC могут практически использоваться, включая аэрокосмическую промышленность и гибкую электронику, где пространство и вес имеют первостепенное значение», ‒ говорит Ченьи Йи, адъюнкт-профессор Государственной ключевой лаборатории эксплуатации и контроля энергосистем Университета Цинхуа, старший автор статьи.

Открытие и традиционная технология изготовления отличаются всего одним, но очень важным нюансом: команде удалось разработать иной метод химического осаждения в ванне (CBD). Дело в том, что осаждение оксида олова (SnO2) на гибкую подложку ранее происходило посредством применения сильных кислот, к которым многие плёнки довольно чувствительны. Новое же решение с бескислотным осаждением не только не разрушает полиэтилентерефталат гибкой подложки, но и позволяет лучше контролировать рост оксида олова на ней. Сам же этот оксид олова является слоем для переноса электронов в FPSC, что имеет решающее значение для эффективности преобразования энергии.

«Этот метод CBD отличается от предыдущих исследований использованием сульфата олова (SnSO4), а не хлорида олова (SnCl2) в качестве предшественника олова для осаждения SnO2, что делает новый метод… совместимым с чувствительными к кислотам гибкими подложками», ‒ говорит адъюнкт-профессор.

Помимо решения основной задачи, новый метод изготовления также устраняет некоторые проблемы, связанные с долговечностью устройств. Сульфат (SO42-), оставшийся после осаждения на основе соли SnSO4, дополнительно улучшает стабильность гибких элементов вследствие сильной координации между ним и свинцом (Pb2+), входящим в состав перовскита.

«Как результат ‒ мы можем изготавливать SnO2 более высокого качества для достижения более эффективных и стабильных FPSC», ‒ заключает Йи.

В итоге команда достигла уровня эффективности преобразования энергии в 25,09%, что оказалось новым эталоном для гибких перовскитных солнечных элементов. Однако это, как говорится, результат «в моменте». Стабильные же показатели экспериментов фиксируют 24,9% производительности.

 Сравнение SnCl2 и SnSO4

Прогресс в повышении эффективности гибких перовскитных солнечных элементов и различия в получении плёнок SnO2 на гибких подложках с использованием SnCl2 и SnSO4. Источник.

Утверждения о возрастании долговечности FPSC на основе сульфата олова также строятся на эмпирическом подтверждении: они сохранили 90% эффективности преобразования энергии даже после 10 000 циклов сгибания-разгибания. Мало того, выросла также их стабильность при высоких температурах, чего уже никто не ожидал.

Больше всего радует то, что этот, по сути своей, экспериментальный подход даёт не только воспроизводимые результаты, но и позволяет производителям повторно использовать химическую ванну, что неминуемо скажется на повышении практичности и масштабируемости производства гибких солнечных панелей.

«Конечной целью является перевод этих высокоэффективных FPSC из лабораторных масштабов в промышленное производство, что обеспечит широкое коммерческое применение этой технологии в различных областях, от носимых технологий, портативной электроники и аэрокосмических источников энергии до крупномасштабных решений в области возобновляемых источников энергии», ‒ подытожил Ченьи Йи.

 


АРМК, по материалам Университета Цинхуа.