Ученые обнаружили серьезный недостаток солнечных батарей
Перовскит имеет много преимуществ в нашем поиске дешевого и эффективного способа получения солнечной энергии. Благодаря напылению органических молекул эти кристаллические структуры смогли преобразовать более четверти падающего на них света в электричество.
Теоретически кристаллы перовскита, изготовленные из правильного сочетания материалов, могут превысить этот предел 30 процентов, превзойдя кремниевые солнечные элементы (которые в настоящее время являются самой распространенной технологией солнечных панелей), и при гораздо более низкой стоимости. На бумаге все хорошо, но на самом деле что-то сдерживает технологию.
Соедините кальций, титан и кислород в правильных условиях, и вы сформируете повторяющиеся клетки из молекул, которые выглядят как связка коробок, соединенных своими углами.
Независимо от задействованных элементов, этот конкретный кристаллический узор называется структурой перовскита. Сделайте один из йодида свинца, добавьте органическое соединение, такое как метиламмоний, для положительного заряда, пролейте немного солнечного света, и вы будете на пути к генерации электрического тока.
Инженеры быстро поняли, что для достижения КПД выше 25 процентов в этом преобразовании энергии необходимо обеспечить достаточное количество йодида, по-видимому, для того, чтобы любые дефекты в кристаллической решетке перовскита были хорошо и полностью заполнены.
Но это предположение так и не было полностью проверено, поэтому исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре в США вернулись к первым принципам, чтобы определить, что происходит на самом деле.
Используя передовые вычисления для анализа квантового поведения, влияющего на электроны, когда они мигрируют через гибридную смесь органических молекул и структур йодида свинца, команда обнаружила, что добавление большего количества йодида не совсем то, что предлагали эксперименты.
Оказывается, недостаток в системе оказался не там, где кто-либо ожидал.
Вместо дефекта в перовскитных клетках, это был органический компонент, который ранее считался неразрушимым элементом, который имел довольно неприятную слабость. Оказывается, их водород может сразу оторваться.
"Иодид свинца метиламмония является прототипом гибридного перовскита", - говорит ведущий исследователь и инженер-материаловед Се Чжан.
"Мы обнаружили, что на удивление легко разорвать одну из связей и удалить атом водорода в молекуле метиламмония".
Эта водородная вакансия образует довольно неудобную выбоину на электрической магистрали, препятствуя току, возникающему, когда солнечный свет выбивает электроны из окружающей структуры перовскита.
"Когда эти заряды попадают в свободное место, они больше не могут выполнять полезную работу, например, заряжать аккумулятор или приводить в действие двигатель, что приводит к снижению эффективности", - говорит Чжан.
Хотя на данном этапе процесс является полностью теоретическим, расчеты также позволяют команде найти способы обойти недостаток.
Одна из возможностей, подтвержденная экспериментальными данными, - это поиск золотой середины в отношении концентраций йодида.
Замена органической молекулы на другой катион, такой как цезий, или, что еще лучше, на подобное органическое соединение, такое как формамидин, также может привести к радикальному повышению эффективности.
Превращение этой теоретической работы в практический метод производства электроэнергии потребует гораздо большего количества испытаний и планирования. То, что работает в расчетах, должно быть вплетено в процессы выращивания безупречных пластин перовскита вокруг молекул формамидиния.
Чтобы перовскит имел надежду на доминирование на рынке производства энергии, он должен проявить себя как на финансовом, так и на функциональном уровне.
Прогнозы по кремнию предполагают, что еще предстоит пройти путь, прежде чем он превысит теоретические пределы 30%.
Но, учитывая прогресс, достигнутый перовскитом только за последнее десятилетие, перовскитовые солнечные элементы могут быть связаны с их большим прорывом в не слишком отдаленном будущем.
