Новости Технологии

Ученые разрабатывают более безопасный свинцовый перовскитный солнечный элемент

Два лабораторных образца солнечных элементов

Исследователи из Университета Северного Иллинойса и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США в Голден, штат Колорадо, сегодня (19 февраля) сообщают в журнале Nature о возможном прорыве в разработке гибридных перовскитных солнечных элементов. ,

Рассматриваемые восходящими звездами в области солнечной энергии, перовскитные солнечные элементы преобразуют свет в электричество. Они потенциально дешевле и проще в производстве, чем традиционные солнечные элементы на основе кремния, и, по крайней мере, в небольших масштабах в лабораторных условиях продемонстрировали сопоставимые уровни эффективности. Но ключевые проблемы остаются, прежде чем они могут стать конкурентоспособной коммерческой технологией.

Одной из основных проблем является использование свинца. Большинство гибридных солнечных батарей на основе перовскита содержат растворимый в воде свинец, что вызывает опасения относительно потенциальной утечки из поврежденных элементов.

Под руководством Тао Сю из NIU и Кая Чжу из NREL группа ученых разработала методику отделения свинца, используемого для изготовления перовскитных солнечных элементов, и минимизации потенциальной утечки токсичных веществ путем нанесения пленок, поглощающих свинец, на переднюю и заднюю части солнечного элемента. ,

«Проблема токсичности свинца была одной из самых неприятных проблем последней мили в области солнечных батарей на основе перовскита», — сказал Сюй, профессор химии в NIU. «Мы считаем, что у нас есть многообещающее решение этой проблемы, и это может изменить ситуацию к лучшему».

Исследователи солнечных батарей НИУ Сюнь Ли (слева), аспирант по химии и биохимии, и Тао Сюй, профессор химии и биохимии. 
Предоставлено: Университет Северного Иллинойса.

«В случае повреждения ячейки наше устройство улавливает большую часть свинца, предотвращая его выщелачивание в грунтовые воды и почвы. Используемые нами пленки нерастворимы в воде».

По словам ученых, в условиях серьезного повреждения солнечных элементов в лабораторных условиях поглощающие свинец пленки поглощают 96% утечки свинца. Их эксперименты также показывают, что слои, поглощающие свинец, не оказывают негативного влияния на производительность ячейки или долговременную стабильность работы.

Перовскитные солнечные элементы названы так потому, что они используют класс кристаллических структур, сходных с минеральными, известными как перовскит. Соединение со структурой перовскита в этих солнечных элементах чаще всего представляет собой гибридный органический неорганический материал на основе галогенида свинца.

Ученые начали изучать эти кристаллические структуры для использования в солнечных элементах только около десяти лет назад и быстро увеличили эффективность преобразования солнечной энергии. В то время как традиционные кремниевые солнечные элементы производятся с точными процессами с использованием высоких температур, перовскиты могут быть получены с использованием химических растворов комнатной температуры.

По словам Сюй, недавно разработанный «метод секвестрации на устройстве» может быть легко интегрирован в существующие конфигурации перовскитных солнечных элементов.

Прозрачная пленка, поглощающая свинец, наносится на проводящее стекло на передней панели солнечного элемента. Секвестрационная пленка содержит сильные свинцово-связывающие группы фосфоновой кислоты, но не препятствует захвату клетками света. На заднем металлическом электроде используется менее дорогая полимерная пленка, смешанная со свинцово-хелатирующими агентами, которая не нуждается в прозрачности.

«Материалы имеются в наличии, но они никогда не использовались для этой цели», — сказал Сюй. «Свет должен проникать в ячейку, чтобы поглощаться слоем перовскита, а лицевая пленка фактически действует как антиотражающий агент, лишь немного улучшая прозрачность».

Испытания на утечку свинца включали в себя разбивание и разрушение лицевого стекла ячеек размером 2,5х2,5 см и царапание задней стороны солнечных батарей лезвием бритвы, прежде чем погрузить их в воду. Эти пленки могут поглощать подавляющее большинство свинца в сильно поврежденные клетки из — за проникновение воды.

«Стоит отметить, что продемонстрированный подход к секвестрации свинца также применим к другим технологиям на основе перовскита, таким как твердотельное освещение, дисплей и сенсорные приложения», — сказал Чжу, старший научный сотрудник NREL.