Исследовательская группа из Великобритании предложила новый способ создания тонкопленочных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15%. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов.

Металлоорганические полупроводники, с химической точки зрения представляющие собой тригалид перовскита, впервые были использованы в качестве поглощающего свет компонента в так называемых сенсибилизированных красителем солнечных элементах в 2009 году.

В этих устройствах перовскит наносили на поверхность тонкой пленки из наночастиц диоксида титана. Когда слой перовскита поглощает свет, генерируются электроны и дырки проводимости. В предложенной тогда учеными конфигурации для транспорта электроны и дырки переходят в диоксид титана. Подобные солнечные элементы характеризуются эффективностью превращения энергии порядка 12 – 15%, благодаря большому количеству перовскита, который можно разместить между пленками диоксида титана.

Группа ученых из Oxford University (Великобритания) в своей последней работе продемонстрировала, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что

использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В новом предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительных к электронам и дыркам электродов.

По-сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4%), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что

устройство также создает разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в 2 раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами 0,15 мм толщиной). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.

Столь удивительными свойствами разработанные солнечные элементы обязаны большой длине диффузии носителей заряда в перовските. Лишь это свойство позволяет создавать эффективные устройства без сложного конструирования в наномасштабе.

Как считают ученые,

устройства на основе перовскита вполне могут производиться с помощью тех же процессов, что сейчас применяются для создания коммерческих солнечных элементов, в том числе, на основе кремния. Поскольку они поглощают свет в другой спектральной области, нежели кремний, солнечные элементы на базе перовскита и кремния могут удачно дополнять друг друга. Причем, слой кремния может размещаться под слоем перовскита (поскольку последний не поглощает требуемый диапазон излучения).

Это позволит создавать устройства, эффективность которых превышает возможности солнечных элементов и из кремния, и из перовскита по отдельности.

Вдохновленные первыми результатами, исследователи сейчас занимаются оптимизацией параметров осаждения пленки первоскита и улучшением дизайна устройства. Уже в ближайшем будущем они рассчитывают еще больше повысить эффективность своих солнечных элементов. Они также надеются на то, что в работе им помогут фундаментальные исследования в области фотофизики слоев перовскита (по их мнению, такие работы могли бы ускорить оптимизацию устройств).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature.