Перовскитные полупроводники эффективно преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Кроме того, они недорогие и очень легкие. Ученые Ассоциации немецких исследовательских центров имени Гельмгольца разработали солнечный элемент с тройным переходом, состоящий из различных полупроводников на основе перовскита, с новым бислоем из оксида графена (GO) и самоорганизующимся монослоем (SAM) в качестве дырочного проводника. Этот бислой значительно повышает эффективность и долгосрочную стабильность.

Эффективность нового перовскитного солнечного элемента с тройным переходом составляет 27,3 % и практически не снижается даже после более чем 770 часов работы. Исследование опубликовано в Joule.

Фотоэлектрические элементы на основе перовскитов могут достигать высокой эффективности преобразования энергии (PCE). Объединение двух или более различных полупроводников на основе перовскита с разными ширинами запрещённой зоны в многопереходном солнечном элементе позволяет ещё эффективнее использовать солнечный спектр, тем самым повышая эффективность. Полностью перовскитные многопереходные солнечные элементы потенциально могут обеспечить очень низкие производственные затраты, малый вес и возможность установки на гибкие подложки.

Команда HZB использовала три разных перовскитных поглотителя с разными запрещёнными зонами. Если сложить их друг на друга, получится очень сложная монолитная перовскитная солнечная батарея с тройным переходом. Основное внимание в работе уделялось промежуточному слою между средним и задним перовскитными элементами.

«Представьте себе Биг Мак, где три булочки разделены разными начинками: мясом, салатом или сыром. Здесь это будет начинка между средней и нижней булочками», — объясняет Стив Альбрехт, руководитель отдела перовскитных тандемных солнечных элементов в HZB.

Задний поглощающий слой состоит из перовскитного полупроводника на основе олова и свинца с низкой шириной запрещенной зоны. Взаимодействие между этим слоем перовскита и слоем, переносящим дырки, считается наиболее важным фактором повышения эффективности и стабильности. Обычно в качестве слоя, переносящего дырки, используется полимер PEDOT:PSS, однако это приводит к потерям из-за процессов абсорбции, и фотоэлектрические элементы на основе перовскита быстро выходят из строя.

«Затем мы систематически исследовали влияние различных дырочнопроводящих слоев на свойства оловянно-свинцовых перовскитов, а следовательно, и на новые солнечные элементы с тройным переходом», — говорит доктор Филипп Токхорн, руководитель группы в HZB.

«Мы уже с большим успехом использовали самосборные монослои (SAMS) в качестве контактных слоев, проводящих отверстия, в солнечных элементах на основе перовскита на основе свинца, поэтому имело смысл использовать их также в перовскитах олово-свинец и тройных переходах», — говорит Кевин Принс, соавтор исследования и постдокторант HZB.

SAMs состоят из крупных органических молекул, которые самопроизвольно выстраиваются в монослой. Однако сами по себе самоорганизующиеся монослои работают в этих свинцово-оловянных перовскитах не очень хорошо, поскольку перенос дырочных зарядов неэффективен.

«Поэтому мы экспериментировали с дополнительными слоями под слоем SAM, которые выступали в качестве своего рода подложки», — объясняет Ёнхун Юн, соавтор исследования и постдокторант в этой группе.

В конце концов исследователи обнаружили, что слой оксида графена (GO) под слоем SAM улучшает границу раздела как с морфологической, так и с электронной точки зрения, тем самым обеспечивая более эффективный перенос заряда.

Команда включила бислой GO/SAM в перовскитный солнечный элемент с тройным переходом вместо обычного слоя PEDOT:PSS. Это значительно снизило оптические потери.

«Мы добились эффективности 27,3 % для солнечных элементов с тройным переходом, что является одним из самых высоких показателей для этой технологии», — говорит Альбрехт.

Кроме того, солнечные элементы с тройным переходом на основе GO/SAM доказали свою эффективность при непрерывной работе, сохранив более 90 % первоначальной эффективности даже после 770 часов работы и установив новый рекорд стабильности для этой архитектуры солнечных элементов.