Исследователи из Graphene Flagship, работающие в Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) и в Римском университете Тор Вергата, значительно повысили стабильность перовскитных солнечных элементов (PSC), включив хлопья из многослойного дисульфида молибдена (MoS2) в качестве активного вещества. буферный слой в конструкции ячейки. Эти PSC сохраняют 93% первоначальной эффективности преобразования света через 550 часов по сравнению с 66% для ячеек без буферного слоя MoS2. Это представляет собой важный шаг на пути к жизнеспособным PSC, особенно потому, что добавление слоя интерфейса MoS2 совместимо с недорогими технологиями обработки решений.
MoS2 — это полупроводниковый материал со слоистой структурой, который может расслаиваться на несколько слоев хлопьев. В этом исследовании в устройство солнечного элемента были добавлены хлопья многослойного MoS2 шириной 200-600 нм в качестве буферного слоя между фотоактивным перовскитом и собирающими дырки слоями, что обеспечило высокую стабильность и улучшенные фотоэлектрические характеристики. Опубликованное в Advanced Energy Materials Volume 6 Issue 16, это исследование демонстрирует использование слоистых материалов в проектировании интерфейсов для повышения производительности многослойных гетероструктурных устройств.Беспрецедентный рост энергопотребления в последние годы, а также экологические проблемы, возникающие в результате использования более традиционных источников энергии, означают, что поиск высокоэффективных, экологически безопасных методов производства и хранения энергии имеет первостепенное значение. «Graphene Flagship вкладывает значительные средства в развитие технологий на основе графена и слоистых кристаллов для преобразования и хранения энергии», — говорит доктор Витторио Пеллегрини (IIT), председатель исполнительного совета Graphene Flagship и соавтор статьи. «Эта работа — еще одна демонстрация огромного потенциала слоистых материалов для органических фотоэлектрических элементов следующего поколения», — добавляет он.
В настоящее время солнечная энергия является важным источником энергии из-за обилия доступной солнечной энергии, ее низкого воздействия на окружающую среду и низких эксплуатационных расходов. Д-р Жерар Гебель (Французская комиссия по альтернативным источникам энергии и атомной энергии), который возглавляет Флагманское подразделение по энергии, композитам и производству, а также Рабочий пакет 11 — Производство энергии, описывает цели графенового флагмана для разработки энергетических технологий на основе многоуровневых технологий. материалы: «Рабочий пакет Energy Generation направлен на демонстрацию преимуществ использования графена и связанных слоистых материалов с точки зрения производительности, срока службы и снижения затрат в топливных элементах и фотоэлектрических системах. Ключевой задачей является получение достаточных улучшений для компенсации дополнительных затрат , поскольку топливные элементы и солнечные элементы являются зрелыми технологиями ». Эти солнечные технологии следующего поколения должны быть значительно улучшены, прежде чем они смогут заменить коммерческие солнечные элементы на основе кремния.
«Перовскитные солнечные элементы продемонстрировали большие перспективы в плане высоких характеристик и высокой эффективности всего за несколько лет исследований. Однако необходимо решить проблему стабильности таких фотоэлектрических устройств, если эта технология будет коммерциализирована в ближайшем будущем», — говорит д-р Франческо. Бонаккорсо (ИИТ), соавтор этого исследования, объясняет мотивацию исследования. «Использование слоистых кристаллов может быть ценным путем для повышения как эффективности, так и стабильности PSC».
Для технологий экологически чистой энергии важными факторами коммерциализации и широкого внедрения являются высокая эффективность, низкая стоимость и длительный срок службы устройства. Перовскитовые материалы перспективны для использования в солнечных элементах благодаря их высокой фотоактивности и эффективности преобразования энергии света.
К сожалению, эффективность работы резко снижается во время эксплуатации и хранения, что в настоящее время является основным препятствием для вывода на рынок солнечных технологий на основе перовскита. Это исследование показывает, что этот барьер может быть преодолен путем тщательной интеграции слоистых материалов в солнечные элементы, оптимизации интерфейсов между слоями активных устройств для создания высокостабильных и высокоэффективных PSC.Важно отметить, что добавление буферного слоя MoS2 совместимо с технологиями печати на основе раствора и нанесением покрытия распылением, используемыми для изготовления многослойных устройств солнечных элементов. Покрытие хлопьев MoS2 распылением не добавляет сложных этапов изготовления к производству PSC; для крупномасштабных коммерческих приложений простота изготовления важна для снижения затрат.
Метод нанесения покрытия распылением также напрямую совместим с производством на больших площадях, что имеет решающее значение для жизнеспособной и масштабируемой технологии чистой энергии. Ячейки размером 1,05 см2, продемонстрированные в статье, показывают, что высокостабильные солнечные элементы также могут изготавливаться в форматах большой площади, что является обязательным условием для реального применения.
Буферный слой MoS2 действует двумя способами, обеспечивая стабильность высокой эффективности преобразования солнечной энергии во времени. Во-первых, MoS2 обеспечивает эффективную границу раздела между перовскитом и слоем, транспортирующим дырки, благодаря своей высокой подвижности дырок и хорошему согласованию энергии с перовскитом. Это приводит к высокой начальной эффективности ячейки за счет уменьшения рекомбинации электронов и дырок, которые генерируются преобразованием света в перовските.
Во-вторых, буфер MoS2 продлевает срок службы слоя перовскита, предотвращая деградацию и миграцию ионов с электрода. Это также защищает от прямого электрического контакта с золотым электродом, который собирает фототок, обеспечивая сохранение высокого КПД в течение долгого времени.Это исследование указывает на прекрасные возможности использования слоистых материалов для повышения производительности при производстве возобновляемой энергии. Повышая стабильность и срок службы перовскитов, цель создания жизнеспособных PSC становится на шаг ближе.
Проф. Альдо Ди Карло (Римский университет Тор Вергата), который также является соавтором исследования, с нетерпением ожидает улучшений, которые принесет этот подход: «Разработка интерфейса со слоистыми материалами — это новая стратегия для освоения переноса заряда и рекомбинации в PSC, ведущие к лучшим фотоэлектрическим характеристикам ».