Повышение эффективности и экологичности перовскитных солнечных элементов с помощью микроконцентраторов
Аккумулятор Challenger EVG6-225
Исследователи из Италии решают две проблемы, связанные с солнечными фотоэлектрическими элементами на основе галогенидов металлов и перовскитов: сокращают использование свинца и повышают стабильность эффективности преобразования энергии с помощью нового сочетания микроконцентраторов и пикосекундной лазерной обработки.
Исследователи из Генуэзского университета и Римского университета Тор Вергата решают две известные проблемы, связанные с солнечными фотоэлектрическими элементами на основе галогенидов металлов (MHP), — уменьшают количество свинца, сохраняя при этом высокую эффективность преобразования энергии.
Внедрив микроконцентраторы, альтернативную стратегию управления светом и методы лазерной гравировки, исследовательская группа добилась положительных результатов в устройствах малой площади размером 2,5 см × 2,5 см. «Эта конструкция обеспечивает заметные улучшения» по сравнению с традиционным подходом», — рассказал журналу PV руководитель исследовательского проекта Шива Навазани.
Первоначальная идея проекта, который продлится до конца этого года, заключалась в использовании перовскитных солнечных элементов FAPbI3 малой площади и технологии микролинзовых концентраторов. Однако из-за трудностей с изготовлением линз команда была вынуждена перейти на макролинзовые массивы и подложки с лазерным рисунком.
Были созданы микроконцентраторы — небольшие двояковыпуклые компактные линзы диаметром 5 см, которые концентрируют солнечный свет на крошечной активной области и располагаются над солнечными элементами на расстоянии 5 и 10 см друг от друга.
Навазани объяснил, что такая конструкция увеличивает интенсивность света, попадающего на активный фотоэлектрический слой, что может «значительно повысить» эффективность, и при этом требуется меньше фотоактивного материала, что существенно снижает количество свинца в устройстве.
Группа использовала метод лазерной гравировки перовскита на подложках из стекла и оксида индия-олова (ITO), который «по своей сути совместим» с масштабированием.
В этом случае они использовали пикосекундный (PS) лазер для прямой записи — ультракороткий импульсный лазер, который излучает в течение пикосекунд, что позволяет создавать элементы с высокой точностью и минимальным термическим повреждением. «Структура, созданная с помощью лазера, позволяет устройству лучше выдерживать термическое воздействие и другие эффекты при концентрированном освещении», — сказал Навазани.
Был использован специально разработанный шаблон прямого письма. Он отличался от более распространённых шаблонов P1, P2 или P3.
Так называемые P1, P2 и P3 надрезы соответствуют трём этапам надрезания в процессе создания монолитных межсоединений, которые обеспечивают подачу напряжения между ячейками в модулях. Этапы P1 и P3 направлены на изоляцию слоёв обратных контактов соседних ячеек, а этап P2 создаёт электрический путь между обратным контактом ячейки и передним контактом соседней ячейки. В частности, этап P3 часто становится причиной нежелательных эффектов, таких как отслоение обратного контакта, шелушение или плохая электрическая изоляция из-за остатков, которые остаются в канавке.
По словам исследователей, лазерная обработка способствует повышению эффективности по сравнению с необработанным образцом за счёт более «однородной структуры и повышенной устойчивости к термическим и другим нагрузкам».
Продолжается тестирование других эксплуатационных характеристик, в том числе изучение деградации и анализ выделения свинца. Они будут завершены на заключительном этапе проекта.
Некоторые предварительные результаты были представлены в трёх докладах на конференциях PVSPACE 2023, EUPVSEC 2024 и HOPV 2025. Последний доклад назывался «Oптимизация управления светом в перовскитных солнечных элементах с помощью проектирования микроструктуры». Результаты рецензирования ещё не опубликованы.
Проект «Самовосстанавливающаяся перовскитная фотоэлектрическая система с трафаретной печатью, превосходящая предел Шокли-Квайссера», получивший название Sherpa, планируется завершить в этом году. Это проект, финансируемый Европейским союзом в рамках инициативы Marie Skłodowska-Curie Action.