Как улучшить «минерал бастардов», или Новый интерфейс для солнечной батареи

в 13:43, , рубрики: Блог компании НИТУ «МИСиС», будущее здесь, Научно-популярное, НИТУ МИСиС, экология, Энергия и элементы питания

Бастарды Перовские были если не самым могущественным, то уж точно самым знаменитым незаконнорожденным кланом Российской империи.

Во-первых, бастардов Перовских было много. Их папенька, всесильный граф Алексей Разумовский прожил с их маменькой, мещанкой Марией Соболевской, в гражданском, как бы сегодня сказали, браке более 35 лет. И произвел десять детей, получивших специально для них придуманную фамилию «Перовские».

Во-вторых, все бастарды Перовские оказались ужасно деятельные — не зря их родовым девизом была фраза «Не слыть, а быть».

Пожалуй, нет такой области, где бы не отметились «внезапные графья» или их потомки. Перовские были министрами внутренних дел и цареубийцами, губернаторами Санкт-Петербурга и феодосийскими градоначальниками, они вели Большую Игру с Англией из-за Средней Азии и писали книжку «Ребята и зверята», были генеральными консулами в Генуе и поликаторжанами, дружили с Жуковским и разводили лес в Казахстане, один представитель фамилии придумал сказку «Черная курица», а четверо других — величайшего русского философа, автора афоризма «Единожды солгавши, кто тебе поверит?».

От бастардов Перовских остались цветущий кустарник перовския, фраза «Земля богата наша, порядка только нет», название московского района Перово, обозванного в честь их когда-то подмосковной усадьбы и минерал перовскит, впервые найденный на Урале.

image

Будущая цареубийца Софья Перовская (справа)

Вот о нем и поговорим.

В связи с этим минералом фамилию Перовских в последние годы поминают не только в нашей стране, но чуть не во всех уголках мира. По одной просто причине — перовскитные тонкопленочные фотоэлементы, о которых мы уже писали — сегодня главная альтернатива традиционным кремниевым солнечным батареям.

Пока эта альтернатива, скорее, потенциальная, но заниматься перовскитами все активнее заставляют три глобальных преимущества. Первое — дешевизна производства, солнечные батареи из перовскитов можно печатать на специальных струйных или матричных принтерах без применения вакуумных процессов. Номер два — в отличие от хрупких и бьющихся кремниевых батарей перовскитные можно изготавливать на подложках из ПЭТ aka лавсан — обычного материала для пластиковых бутылок и, третье, гибкость, за счет которых пленочные фото-модули можно монтировать на стены зданий и кривые поверхности автомобильных стекол, получая независимый обогрев, либо электропитание.

image

Как нет худа без добра, так нет добра без худа — перовскиты пока нестабильны и быстро деградируют, хотя и выдают сопоставимые КПД по сравнению с кремниевыми аналогами (рекорд КПД для перовскитов — 25.2 %, для кремниевых элементов — 26.7 %). Увеличением эффективности перовскитных фотоэлементов в настоящее время занято множество научных коллективов по всему миру, и большинство исследований посвящены подбору химического состава перовскита, стабилизации работы устройств и внедрению новых наноматериалов.

А вот теперь — новость. Ученые НИТУ «МИСиС» и университета Tor Vergata (Милан, Италия) выявили, что микроскопическая доза двумерного карбида титана в составе перовскитного фотоэлемента значительно меняет его способность собирать электрические заряды, увеличивая итоговую эффективность до 20.14%. Результаты исследования опубликованы в престижном журнале Nature Materials.

Международный коллектив лаборатории перспективной солнечной энергетики (L.A.S.E. — Laboratory for Advanced Solar Energy), кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов (ФНСиВТМ) НИТУ «МИСиС» и исследователей итальянского университета Tor Vergata под руководством профессора Альдо ди Карло предложил оригинальное решение — обогащение (допирование) перовскита двумерными веществами на основе карбида металла (максенами).

image

«Мы обнаружили, что максены, благодаря своей уникальной двумерной структуре, могут быть использованы для настройки поверхностных свойств перовскита, что позволяет разработать новую стратегию оптимизации для этих солнечных элементов третьего поколения», — прокомментировал профессор Альдо Ди Карло.

Тонкопленочный перовскитный фотоэлемент имеет структуру сэндвича, между слоями которого происходит процесс сбора электронов, в результате которого энергия солнечного света преобразуется в электрическую. Грубо говоря, чем менее энергозатратно происходит этот процесс электронного перемещения, тем эффективнее работает весь модуль, а добавка максена улучшает этот процесс.

«Для повышения эффективности солнечных батарей на основе перовскита необходимы тщательная сборка устройства и разработка внутреннего „интерфейса“ батареи для улучшения оптоэлектронных свойств и процесса извлечения заряда на электродах, — рассказал один из авторов работы, инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ „МИСиС“ Данила Саранин. — Для решения этой задачи совместно с нашими итальянскими коллегами мы провели серию экспериментов по внедрению наноматериала на основе карбида титана в микроскопическом количестве 0,14 мг/мл практически во все внутренние структуры перовскитного модуля. В результате удалось повысить эффективность солнечной батареи более чем на 25% по сравнению с исходным прототипами».

image

Максены последовательно внедрялись в разные слои перовскитного солнечного элемента. Были испытаны конфигурации с внедрением максенов в фотопоглощающий перовскитный слой, в электронно-транспортный слой диоксида титана, а также на «интерфейс» между ними. После анализа полученных результатов ученые выявили, что эффект ярче всего проявляется, когда максены присутствуют во всех описанных слоях, а также и на интерфейсе. Экспериментальные результаты подтверждены соответствующим моделированием полученных структур.

Работа международного коллектива уникальна тем, что это первая научная работа, которая не только описала серию экспериментов и полученные результаты, но и объяснила механизмы, происходящие в модифицированном перовските с физико-химической точки зрения.

image

«Главным результатом данной работы является обнаружение изменения электрофизических свойств полупроводников при их модификации максенами, что открывает большие перспективы в будущем для использования нового наноматериала в реальном производстве», — добавила один из соавторов исследования, научный сотрудник кафедры ФНСиВТМ НИТУ «МИСиС» Анна Позняк.

В настоящее время коллектив работает над стабилизацией полученного устройства и увеличением его эффективности.

Автор: vad_nes

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js