Типичные солнечные элементы сегодня сделаны из кристаллического кремния, но сделать их полупрозрачными сложно. В разрабатываемых полупрозрачных солнечных элементах используются, например, органические или сенсибилизированные красителями материалы, но по сравнению с элементами на основе кристаллического кремния их эффективность преобразования энергии относительно невысока. Перовскиты — это гибридные фотоэлектрические материалы на основе органических и неорганических галогенидов, которые дешевы в производстве и просты в производстве. В последнее время они привлекли к себе большое внимание, поскольку за последние несколько лет эффективность перовскитных солнечных элементов быстро выросла до уровня кремниевых технологий.
Используя перовскиты, корейская группа исследователей во главе с профессором Сынхёп Ю из школы электротехники Корейского института науки и технологий (KAIST) и профессором Нам-Гю Пак из школы химической инженерии Университета Сунгюнкван разработала полупрозрачный солнечный элемент. это очень эффективно и, кроме того, очень эффективно работает как тепловое зеркало.Команда разработала верхний прозрачный электрод (TTE), который хорошо работает с перовскитными солнечными элементами. В большинстве случаев ключом к успеху в реализации полупрозрачных солнечных элементов является поиск TTE, совместимого с данной системой фотоактивных материалов, что также относится к солнечным элементам из перовскита.
Предлагаемый TTE основан на многослойном пакете, состоящем из металлической пленки, зажатой между слоем с высоким показателем преломления (высоким показателем преломления) и межфазным буферным слоем. Этот TTE, размещенный как самый верхний слой, может быть приготовлен без повреждения ингредиентов, используемых в перовскитных солнечных элементах. В отличие от обычных прозрачных электродов, фокусирующихся только на пропускании видимого света, предлагаемый TTE играет двойную роль: пропускание через видимый свет и отражение инфракрасных лучей.
Полупрозрачные солнечные элементы, изготовленные с использованием предложенных TTE, продемонстрировали средний КПД преобразования энергии до 13,3% с подавлением инфракрасного излучения 85,5%.Команда считает, что если полупрозрачные перовскитные солнечные элементы будут расширены для практического применения, их можно будет использовать в солнечных окнах для зданий и автомобилей, которые не только вырабатывают электроэнергию, но и позволяют интеллектуальное управление теплом для помещений, тем самым используя солнечная энергия более эффективно и действенно.
Этот результат был опубликован в качестве титульной статьи в выпуске Advanced Energy Materials от 20 июля 2016 года. Исследовательская статья озаглавлена «Расширение возможностей полупрозрачных солнечных элементов с помощью функции теплового зеркала».Команда разработала пакет прозрачных электродов (TE) в три слоя: тонкая пленка серебра (Ag) помещается между нижним межфазным слоем триоксида молибдена (MoO3) и верхним диэлектрическим слоем с высоким показателем преломления сульфида цинка (ZnS). ). Такой трехслойный подход известен как средство увеличения общего пропускания видимого света металлических тонких пленок с помощью метода согласования индексов, который по сути является тем же методом, который используется для антиотражающего покрытия стекол, за исключением того, что в данном случае используется металлический слой.
Традиционно, когда ТЕ основан на металлической пленке, такой как Ag, пленка должна быть чрезвычайно тонкой, например, 7-12 нанометров (нм), чтобы получить прозрачность и, соответственно, пропускать видимый свет. Однако в этом исследовании команда использовала другой подход.
Они сделали Ag TE в два или три раза толще (12-24 нм), чем обычные металлические пленки, и, как следствие, он отражал больше инфракрасного света. Высокий показатель преломления слоя ZnS играет важную роль в поддержании высокого коэффициента пропускания видимого света предлагаемого TTE даже с относительно толстой пленкой Ag, когда ее толщина тщательно оптимизирована для максимальной деструктивной интерференции, что приводит к низкому коэффициенту отражения (и, следовательно, высокому коэффициенту пропускания ) в диапазоне видимого света.
Команда подтвердила функцию теплового зеркала полупрозрачного перовскитового солнечного элемента с помощью эксперимента, в котором галогенная лампа освещала объект в течение пяти минут через три среды: окно из голого стекла, автомобильную тонировочную пленку и предлагаемый полупрозрачный перовскитовый солнечный свет. клетка. Инфракрасная (ИК) камера делала тепловые изображения объекта, а также поверхности каждого окна.
Температура объекта при экспонировании через стеклянное окно поднялась до 36,8 градуса Цельсия, тогда как тонирующая пленка и ячейка позволяли объекту оставаться ниже 27 градусов Цельсия. Тонирующая пленка поглощает свет, блокируя солнечную энергию, поэтому поверхность пленки становилась горячей, поскольку она постоянно подвергалась воздействию света лампы, но предлагаемый полупрозрачный солнечный элемент оставался холодным, поскольку он отклоняет солнечную тепловую энергию путем отражения, а не поглощения.
Общее отклонение солнечной энергии (TSER) предложенной ячейки достигло 89,6%.Профессор Ю из KAIST сказал: «Главный вклад в эту работу состоит в том, чтобы найти технологию прозрачных электродов, подходящую для полупрозрачных перовскитных ячеек, и обеспечить конструктивный подход, позволяющий полностью использовать потенциал, который он может в дальнейшем предоставлять в качестве теплового зеркала в дополнение к своей основной роли в качестве теплового зеркала. Настоящая работа может быть дополнительно доработана для включения цветных солнечных элементов и включения гибких или вращающихся форм-факторов, поскольку они предоставят большую свободу дизайна и, таким образом, предоставят больше возможностей для их интеграции в объекты реального мира и конструкции, такие как автомобили, здания и дома ".
