Исследовательская группа из Мюнхенского университета успешно разработала новый тип металлогалогенных перовскитных солнечных элементов, которые способны стабильно работать в высокотемпературных условиях, таких как низкая околоземная орбита, сохраняя при этом высокий коэффициент полезного действия преобразования энергии.
Ученые провели специальное исследование ускоренных тепловых циклов в диапазоне от -80°C до 80°C. Результаты испытаний показали, что после 16 экстремальных температурных циклов усиленные элементы сохранили около 84% своей первоначальной эффективности, в то время как немодифицированные элементы продемонстрировали более значительное снижение производительности.
Исследователи пояснили: «Эти температурные условия существуют не только при лабораторных испытаниях на старение, но и часто встречаются в реальных рабочих условиях, таких как низкая околоземная орбита. На орбите солнечные панели спутников многократно проходят циклы прямого солнечного облучения и кратковременного погружения в холод». «Экстремальные значения температуры могут варьироваться в зависимости от конструкции космического аппарата и орбиты, поэтому команда выбрала для исследования репрезентативный диапазон».
Это усовершенствование решает одну из основных проблем, с которой сталкиваются перовскитные солнечные элементы: механические напряжения, возникающие, когда перовскитный слой и стеклянная подложка расширяются или сжимаются с разной скоростью при изменении температуры. Эти напряжения концентрируются главным образом на границах зерен кристаллов перовскита и в областях контакта с подложкой, которые являются слабыми местами материала. Длительное накопление напряжений может привести к образованию трещин, расслоению и дефектам, что, в свою очередь, влияет на электрические характеристики и снижает долгосрочную стабильность.
Для решения этих проблем команда применила метод направленного молекулярного усиления. В процессе формирования тонкой пленки они добавили альфа-липоевую кислоту, которая за счет полимеризации на границах зерен уменьшает количество дефектов и укрепляет кристаллическую сетку. Затем они использовали производное сульфония для химического закрепления перовскита на подложке, создав «якорную сеть», которая стабилизирует структуру слоя при термических нагрузках.
Эти меры эффективно защитили уязвимые области в элементе, повысив его долговечность и эффективность при экстремальных температурных колебаниях. Устройство достигло коэффициента полезного действия преобразования энергии более 26%, что, по словам исследователей, примерно на 3% выше, чем у контрольного элемента, не использующего данную технологию.
Ведущий автор исследования Эркан Айдын заявил: «Наша работа показывает, что направленное усиление границ зерен и интерфейсов может значительно повысить механическую стабильность перовскитных солнечных элементов. Это приближает нас к достижению практической применимости этой технологии».
Эта новая конструкция солнечного элемента подробно описана в статье под названием «Перовскитные солнечные элементы с повышенной устойчивостью к термической усталости при экстремальных температурных циклах», которая была опубликована в журнале Nature Communications.
