Гибридные перовскиты на основе галогенида свинца представляют собой особую группу синтетических материалов, которые были предметом интенсивных научных исследований, поскольку они обещают революцию в области солнечной энергии. Помимо того, что перовскитные солнечные элементы дешевы и просты в производстве, они за несколько лет стали почти такими же энергоэффективными, как кремний — материал, который в настоящее время используется в большинстве домашних солнечных панелей.Показав, что они также могут быть оптимизированы для повторного использования света, новое исследование предполагает, что это может быть только началом. Солнечные элементы работают, поглощая фотоны от Солнца для создания электрических зарядов, но этот процесс также работает в обратном направлении, потому что, когда электрические заряды рекомбинируют, они могут создать фотон.
Исследование показывает, что перовскитные клетки обладают дополнительной способностью повторно поглощать регенерированные фотоны — процесс, известный как «рециркуляция фотонов». Это создает эффект концентрации внутри клетки, как если бы линза использовалась для фокусировки большого количества света в одном месте.По словам исследователей, эта способность перерабатывать фотоны может быть относительно легко использована для создания ячеек, способных раздвинуть пределы энергоэффективности солнечных панелей.
Исследование основано на установленном сотрудничестве, в котором основное внимание уделяется использованию этих материалов не только в солнечных элементах, но и в светодиодах, и было проведено в группе Ричарда Френда, профессора физики Кавендиша и научного сотрудника Колледжа Святого Иоанна в Университете Святого Иоанна. Кембриджский университет.
Исследование было проведено в партнерстве с командой Генри Снайта из Оксфордского университета и Бруно Эрлера из Института FOM, AMOLF, Амстердам.Феликс Дешлер, который является одним из авторов исследования и работает с группой, изучающей перовскиты в Кавендишской лаборатории, сказал: «Это масштабная демонстрация качества этого материала, открывающая путь к максимальной эффективности солнечных элементов.
Методы изготовления, которые потребуются для использования этого явления, несложны, и это должно значительно повысить эффективность этой технологии по сравнению с тем, что мы могли достичь до сих пор ».Солнечные элементы на основе перовскита были впервые испытаны в 2012 году и оказались настолько успешными, что в 2013 году журнал Science Magazine назвал их одним из прорывов года.
С тех пор исследователи добились быстрого прогресса в повышении эффективности преобразования света в электрическую энергию этими клетками. Недавние эксперименты показали эффективность преобразования энергии около 20% — цифру, уже сопоставимую с кремниевыми элементами.Показывая, что клетки на основе перовскита также могут перерабатывать фотоны, новое исследование предполагает, что они могут достичь гораздо более высокой эффективности.
Исследование, о котором сообщается в Science, включало облучение лазером одной части образца перовскита иодида свинца толщиной 500 нанометров. Перовскиты излучают свет при контакте с ним, поэтому команда смогла измерить фотонную активность внутри образца на основе испускаемого света.Вблизи того места, где лазерный свет падал на пленку, исследователи обнаружили излучение в ближнем инфракрасном диапазоне.
Однако важно то, что это излучение также было обнаружено дальше от точки, где лазер попал на образец, вместе со вторым излучением, состоящим из фотонов с более низкой энергией.«Низкоэнергетический компонент позволяет переносить заряды на большие расстояния, но высокоэнергетический компонент не может существовать, если фотоны не перерабатываются», — сказал Луис Мигель Пазос Оутон, соавтор исследования. «Переработка — это качество, которого просто нет в таких материалах, как кремний. Этот эффект концентрирует множество зарядов в очень небольшом объеме.
Они производятся комбинацией входящих фотонов и фотонов, созданных внутри самого материала, и это то, что улучшает его энергоэффективность ".В рамках исследования Pazos Outon также произвел первую демонстрацию солнечного элемента с обратным контактом на основе перовскита.
Эта одиночная ячейка оказалась способной передавать электрический ток на расстояние более 50 микрометров от точки контакта с лазером; расстояние намного больше, чем предсказывали исследователи, и является прямым результатом событий многократного повторного использования фотонов, происходящих в образце.Теперь исследователи считают, что солнечные элементы из перовскита могут достичь значительно более высокой эффективности, чем они имели до сих пор. «Тот факт, что мы смогли показать, как рециркуляция фотонов происходит в нашей собственной ячейке, которая не была оптимизирована для производства энергии, является чрезвычайно многообещающим», — сказал Ричард Френд, автор-корреспондент. «Если мы сможем обуздать это, это приведет к огромным успехам с точки зрения энергоэффективности».