Команда, возглавляемая Сяоян Чжу, профессором химии Колумбийского университета, сосредоточила свои усилия на новом классе ингредиентов солнечных элементов, известных как гибридные органические неорганические перовскиты (HOIP). Их результаты, опубликованные в журнале Science, также объясняют, почему эти новые материалы намного более эффективны, чем традиционные солнечные элементы, — разгадывая загадку, которая, вероятно, побудит ученых и инженеров начать изобретать новые солнечные материалы с аналогичными свойствами в ближайшие годы.«Потребность в возобновляемых источниках энергии побудила к обширным исследованиям технологий солнечных батарей, которые экономически конкурентоспособны со сжиганием ископаемого топлива», — говорит Чжу. «Среди материалов, которые исследуются для солнечных элементов следующего поколения, HOIP стали суперзвездой. До сих пор никто не мог объяснить, почему они работают так хорошо и насколько лучше мы могли бы их сделать.
Теперь мы знаем, что HOIP можно сделать. солнечные элементы на основе даже более эффективны, чем кто-либо мог подумать ».Солнечные элементы превращают солнечный свет в электричество. Эти полупроводники, также известные как фотоэлектрические элементы, чаще всего состоят из тонких слоев кремния, которые передают энергию по своей структуре, превращая ее в постоянный ток.
Силиконовые панели, которые в настоящее время доминируют на рынке солнечных панелей, должны иметь чистоту 99,999%, а их производство очень хрупкое и дорогое. Даже микроскопический дефект — например, неуместные, недостающие или лишние ионы — в этой кристаллической структуре может оказывать сильное воздействие на заряды, которые клетки генерируют, когда они поглощают солнечный свет, рассеивая эти заряды до того, как они могут быть преобразованы в электрический ток.В 2009 году японские ученые продемонстрировали, что из HOIP можно создавать солнечные элементы, и что эти элементы могут собирать энергию солнечного света, даже когда кристаллы имеют значительное количество дефектов.
Поскольку они не обязательно должны быть в первозданном виде, HOIP можно производить в больших масштабах и с низкими затратами. Команда Колумбийского университета изучает HOIP с 2014 года.
Их выводы могут помочь увеличить использование солнечной энергии, что является приоритетом в эпоху глобального потепления.За последние семь лет ученым удалось повысить эффективность преобразования солнечной энергии в электричество с 4 процентов до 22 процентов.
Напротив, исследователям потребовалось более шести десятилетий, чтобы создать кремниевые элементы и довести их до нынешнего уровня, и даже сейчас кремниевые элементы могут преобразовывать не более 25 процентов солнечной энергии в электрический ток.Это открытие, по словам Чжу, означает, что «ученые только начали использовать потенциал HOIP для преобразования солнечной энергии в электричество».
Теоретики давно продемонстрировали, что максимальная эффективность кремниевых солнечных элементов может когда-либо достигаться — процент энергии солнечного света, который может быть преобразован в электричество, который мы можем использовать, составляет примерно 33 процента. Электронам под напряжением требуются сотни наносекунд, чтобы перейти от той части солнечного элемента, которая наполняет их солнечной энергией, к той части элемента, которая собирает энергию и преобразует ее в электричество, которое в конечном итоге может быть подано в электрическую сеть. Во время этой миграции через солнечный элемент заряженные электроны быстро рассеивают свою избыточную энергию. Но эти расчеты предполагают конкретную скорость потери энергии.
Команда из Колумбийского университета обнаружила, что скорость потери энергии снижается более чем на три порядка в HOIP, что позволяет собирать избыточную электронную энергию для повышения эффективности солнечных элементов.«Мы говорим о возможном удвоении эффективности солнечных элементов», — говорит Пракрити П. Джоши, доктор философии. студент лаборатории Чжу, соавтор статьи. «Это действительно захватывающе, потому что это открывает большое поле в инженерии». Чжу добавляет: «Это показывает, что мы можем поднять эффективность солнечных элементов намного выше, чем многие люди считали возможным».
Продемонстрировав это, команда затем перешла к следующему вопросу: что такого в молекулярной структуре HOIP, что придает им их уникальные свойства? Как электроны избегают дефектов?
Они обнаружили, что тот же механизм, который замедляет охлаждение энергии электронов, также защищает электроны от столкновения с дефектами. Эта «защита» заставляет HOIP закрывать глаза на повсеместные дефекты в материале, полученном в результате обработки при комнатной температуре и в растворе, что позволяет несовершенному материалу вести себя как идеальный полупроводник.
HOIP содержат свинец, а также растворимы в воде, а это означает, что солнечные элементы могут начать растворяться и вымывать свинец в окружающую среду, если они не будут тщательно защищены от элементов.Чжу знал, что с объяснением таинственных механизмов, которые придают HOIP их поразительную эффективность, ученые-материаловеды, вероятно, смогут имитировать их с помощью более экологически чистых материалов.«Теперь мы можем вернуться и разработать экологически безвредные материалы и действительно решить эту проблему, которая беспокоит всех», — говорит Чжу. «Этот принцип позволит людям начать разработку новых материалов для солнечной энергии».Исследовательскую группу возглавили Хайминг Чжу и Киёси Мията, два постдокторанта Колумбийского университета.
Среди других участников — аспиранты Джу Ван, Пракрити П. Джоши, Кристофер В. Уильямс и постдок Даниэль Ниснер, все из Колумбии; Юнпин Фу и Сон Джин, сотрудники из Университета Висконсин-Мэдисон; и группу возглавлял профессор химии Колумбийского университета Сяоян Чжу. Это исследование получило финансирование от Министерства энергетики США и Национального научного фонда.