Солнечные элементы на основе кремния являются одной из наиболее эффективных систем для выработки электроэнергии из солнечного света. Но их изготовление дорого и энергозатратно. Современные ультратонкие альтернативы в основном состоят из токсичных элементов, таких как свинец и кадмий или содержат дефицитные элементы, такие как индий или теллур.
Исследователи существенно повысили эффективность нового типа солнечных элементов на основе нанокристаллов AgBiS2. Он состоит из нетоксичных, распространенных элементов, произведенных в условиях окружающей среды при низких температурах и с использованием недорогих методов обработки. Нанокристаллы на основе висмута можно интегрировать в ультратонкие солнечные элементы, и они оказались очень стабильными, что позволяет избежать разрушения элемента в течение длительных периодов времени.
Команда спроектировала слои нанокристаллов в клетках с помощью нетрадиционного подхода, называемого инженерией катионного беспорядка. Используя процесс мягкого отжига, они смогли настроить атомные положения катионов в решетке, чтобы фактически вызвать обмен катионов между узлами и добиться однородного распределения катионов.
Исследователи смогли продемонстрировать, что коэффициент поглощения этого полупроводникового материала в 5-10 раз выше, чем у любого другого материала, используемого в настоящее время в фотогальванической технологии, за счет использования различных температур отжига и достижения различного распределения катионов в кристаллической структуре. Это справедливо даже для всего спектрального диапазона от УФ (400 нм) до инфракрасного (1000 нм).
Используя сложное компьютерное моделирование, исследователи из UCL обнаружили, что равномерное распределение атомов серебра и висмута по материалу увеличивает количество света, поглощаемого нанокристаллами, что позволяет генерировать больше энергии. Команда ICFO изготовила сверхтонкий солнечный элемент, обработанный раствором, путем послойного осаждения нанокристаллов AgBiS2 на ITO/стекло. Они зафиксировали эффективность преобразования энергии более 9% для устройства с общей толщиной не более 100 нм, что в 10-50 раз тоньше, чем современные тонкопленочные фотоэлектрические технологии, и в 1000 раз тоньше, чем кремниевые фотоэлектрические. Хотя это может показаться не таким уж огромным, максимальная физически возможная эффективность солнечной батареи составляет 30%, так что это важный результат.
«Результаты показывают, как наше исследование, основанное на химии и физике материалов, может помочь в разработке высокопроизводительных и недорогих устройств и поддержать «зеленую» экономику. Эти солнечные элементы добились огромного скачка эффективности менее чем за десятилетие, с 1-2% до 9%. Это дает нам уверенность в том, что дальнейшие улучшения возможны, и цель состоит в том, чтобы еще больше повысить эффективность, поэтому она сопоставима с солнечными элементами на основе кремния», - сказал доктор философии. исследователь Шон Кавана.
