Климатические изменения подталкивают к поиску альтернативных источников энергии, более энергоэффективных технологий и экологичных материалов. В этом смысле солнечная энергия широко распространена и удовлетворяет потребность в доступной и чистой энергии. Рассматриваемые элементы преобразуют солнечную энергию непосредственно в электричество за счет применения полупроводниковых материалов, эффективно поглощающих фотоны с энергией, превышающей энергию их запрещенной зоны, и генерирующих носители заряда. Затем они переносятся через устройство и собираются во внешней цепи за счет применения обратного смещения.
Перовскитные солнечные элементы (PSC), получаемые путем осаждения раствора органо-неорганических галогенидов, недавно пережили бурный рост применения за счет достижения КПД преобразования энергии (PCE) выше 25 % [1], тем самым бросив вызов широко известным кремниевым солнечным элементам. Проведенный Шокли и Куиссером [2] детальный анализ позволил дать прогноз на максимальный КПД в 32,5 % для однопереходных солнечных элементов на основе абсорбирующих материалов с оптимальной шириной запрещенной зоны 1,3 эВ [3]. Становится ясно, что эксплуатационные характеристики, недавно достигнутые PSC, быстро приближается к теоретическому пределу. Более того, такие устройства могут быть встроены в гибкие подложки путем использования методов осаждения растворов, пригодных для изготовления большеразмерных устройств, а, учитывая их полупрозрачность, открываются перспективы для выхода на нишевые рынки. Они могут быть легко встроены в фасады зданий, небольшие потребительские товары, ткани и портативную электронику, что делает возможным выдвинуть концепцию повсеместного размещения устройств сбора солнечной энергии, что ранее было немыслимо при использовании жестких и тяжелых кремниевых фотоэлектрических элементов.
PSC быстро развивались со времен основополагающей работы Миясака и др. [4], использовавших для преобразования видимого света органо-неорганические гибридные галогенидные перовскиты в качестве чувствительных элементов в сенсибилизированных красителем солнечных элементах (DSSC), добившись, однако, скромного КПД преобразования энергии (PCE) в 3,8 %. Большой прорыв был сделан в 2012 году группой Гретцеля [5], которая представила перовскитные солнечные элементы на основе тригалогенида метиламмония свинца с КПД > 9 %. Подобно DSSC, эти устройства имели мезопористый слой диоксида титана (TiO2 ) с электронной проводимостью, поэтому их назвали мезоскопическими PSC. В это же время группа Снайза [6] представила мезо-суперструктурированную архитектуру солнечных элементов, использующих изолирующий мезопористый глинозем в качестве инертного каркаса для перовскитной пленки и дальнейшего увеличив PCE до > 12 %. В последующие годы была представлена архитектура планарных PSC с использованием тонкого и компактного перовскитного поглотителя [7–15]. Достижения в методах нанесения тонких пленок с использованием растворов [16] или термического испарения [17] позволили быстро увеличить их PCE и достичь к настоящему времени выдающихся значений. Фундаментальное понимание основных физико-химических свойств тонкой пленки перовскита и поверхности кристаллов, учет электронной структуры материалов, несовершенства кристаллов, поверхностных ограничений и реакционной способности поверхности также позволило достичь прогресса в разработке материалов и устройств [18].
Однако общим признаком этих технологий солнечных элементов является отсутствие достаточных доказательств долгосрочной стабильности данных устройств, что препятствует их коммерческому применению. В частности, для коммерческого применения любой новой технологии солнечных элементов необходимо подтвердить ее соответствие протоколу МЭК 61646 по стабильности и сроку службы. Этот протокол включает стандарты тестирования, в том числе испытания на термоциклирование и холодоустойчивость, а также испытания на освещенность и нагрев во влажной среде [19, 20]. Кроме того, необходимо обеспечить соответствие экономическим и маркетинговым стандартам, известным как протоколы ISOS [21]. В этих стандартах указаны, помимо прочего, требования к простоте изготовления и использованию недорогих материалов и процессов [22, 23]. Все эти требования могут быть выполнены путем рационального выбора материалов, тщательной проработке устройств и использования подходящей компоновки/корпусирования устройств [24, 25]. Интенсивные исследовательские усилия были направлены на проектирование интерфейса, оптимизацию размеров и состава активного слоя перовскита, а также определение параметров процесса осаждения тонкой пленки. Кроме того, значительное влияние на эксплуатационные характеристики и стабильность устройств оказали разработка неорганических соединений для перовскитного поглотителя и интерфейсов, исследования пассивирующих материалов и определение подходов, позволяющих снизить поверхностные, интерфейсные и объемные дефекты в перовскитах. Эти усилия недавно привели к значительному повышению фотоэлектрической эффективности и улучшению долгосрочной стабильности PSC, технология которых в настоящее время становится все более отработанной, что вскоре позволит им выйти на рынок.
Полный текст статьи
