Передовой перовскит-кремниевый солнечный элемент был испытан в различных погодных условиях. Тесты прояснили, как вольтамперные характеристики тандемных панелей, смонтированных на крыше, будут отличаться от соответствующих параметров, полученных в лаборатории.
Конструкция инновационных солнечных элементов, как правило, оптимизирована для лабораторий. Панели испытывают и совершенствуют в идеальных условиях, в которых освещение и температура стабильны.
Но в реальном мире все по-другому. Угол падения солнечных лучей постоянно меняется в течение дня, а облака то и дело снижают интенсивность поступающего света. Поэтому нагрев фотоэлементов внутри панели варьируется как функция с двумя переменными – высотой Солнца и погодой. И из-за меняющейся температуры панели ее производительность – вывод энергии – в поле будет не такой, как в лаборатории.
Для традиционных фотоэлементов разработаны математические модели, показывающие, какими будут эти различия. То есть, зная вычисленную в лаборатории эффективность обычной кремниевой солнечной панели, можно с высокой точностью спрогнозировать, сколько электроэнергии она будет производить, будучи установленной где-нибудь на крыше дома в Одесской области.
Однако, как поведут себя в естественных условиях революционные солнечные модули, такие как тандемные панели на основе перовскита, до недавнего времени оставалось загадкой. Было непонятно, как именно отразятся на их производительности изменения солнечного спектра и, что более существенно, температурные колебания.
Пролить свет на эти неясности помогла недавняя научная публикация в журнале Nature Energy Эркана Айдина (Erkan Aydin), Стефана Де Вольфа (Stefaan De Wolf) и их коллег из Саудовской Аравии и Испании. Исследователи определили, как взаимосвязи между температурой и энергиями запрещенных зон влияют на производительность 2-контактных перовскит-кремниевых тандемных солнечных ячеек в реальных условиях эксплуатации. В частности, они выяснили, что тандемная панель максимально эффективно работает при более низких температурах, чем предполагалось ранее.
Справка: в тандемных перовскит-кремниевых ячейках поверх традиционного кремния нанесен слой перовскита. Два работающих вещества позволяют панели собирать больше солнечной энергии. Полупрозрачный перовскитный фотоэлемент захватывает волны определенной длины из видимого спектра, а другие волны пропускает сквозь себя для утилизации кремниевым элементом.
Двухконтактная тандемная ячейка работает максимально эффективно, когда у обеих ее фотоэлементов наивысшая одинаковая плотность тока. Если в ячейке перовскитный и кремниевый слои работают с разной эффективностью, то производительность их тандема снижается примерно до уровня самого слабого из его двух звеньев.
Плотность тока у фотоэлемента – величина, зависимая от запрещенной зоны поглотителя (кремния или перовскита). И этот параметр в полевых условиях неустойчив. Ширина запрещенной зоны может увеличиваться или уменьшаться при изменении погодных условий.
Исследуя спектральную чувствительность тандемной ячейки замерами ее внешней квантовой эффективности, команда Эркана Айдина обнаружила, что ширина запрещенной зоны перовскитного фотоэлемента увеличивается при нагреве (Рис. 1a). Это означает, что плотность тока, вырабатываемого перовскитным фотоэлементом ячейки, при нагреве снижается.
Что касается кремниевого фотоэлемента ячейки, то исследователи описали два эффекта, повышающих в нем плотность тока. Во-первых, увеличение ширины запрещенной зоны для перовскита пропускает большее количество фотонов к кремневому фотоэлементу. Во-вторых, повышение температуры ячейки сужает запрещенную зону кремния (Рис. 1b). Из-за воздействия этих эффектов два фотоэлемента экспериментальной тандемной ячейки, которые демонстрировали в лабораторных условиях одинаковую плотность тока, на открытом воздухе работали вразнобой (Рис. 2).
Исследователи выявили, как энергии запрещенных зон перовскита и кремния зависят от температур окружающей среды. Для этого они вычислили параметры своей тандемной ячейки сначала в лаборатории, а затем измеряли ее вольтамперные характеристики и температуру на открытом воздухе в условиях жаркого и солнечного климата. Там их экспериментальное устройство нагревалось от Солнца до 60°C, но, по предположениям исследователей, температура внутри тандемной ячейки может возрастать и до 75°C, если солнечные панели будут размещены на крышах.
Команда Эркана Айдина подтвердила результаты предыдущих исследований, показавших, что повышение температуры приводит к уменьшению вольтажа. Также исследователи вычислили, что оптимальное значение запрещенной зоны для перовскита 1.73 eV, которое было определено теоретическим путем для идеальных условий, слишком высокое. В тех температурных условиях, в которых они проводили полевые эксперименты, наилучший выход энергии получался, когда значение запрещенной зоны равнялось 1.685 eV. Но, по предположению команды Эркана Айдина, последующие исследования могут сдвинуть идеальное значение этого параметра еще ниже, ближе к отметке 1.65 eV.
Тот факт, что оптимальная запрещенная зона, максимизирующая выход энергии, оказалась меньше теоретической – это хорошая новость. Раньше «высокобандгапные» перовскиты (с запрещенной зоной >1.7 eV) ассоциировались с проблемами стабильной работы устройства. Теперь стало больше уверенности в скором появлении надежных и долговечных перовскитно-кремниевых солнечных панелей.
Команда Эркана Айдина улучшила понимание того, как изменения уличной температуры отражаются на запрещенных зонах перовскита и кремния и влияют на производительность тандемного устройства. Однако необходимо открыть полную картину того, как перовскит-кремниевая ячейка ведет себя в поле, чтобы сделать эту технологию коммерчески и технически осуществимой.
Дополнительные исследования требуются для того, чтобы прояснить, как паразитное поглощение перовскитного слоя уменьшает его оптимальную запрещенную зону. Также нужно протестировать в погодных условиях перовскит с текстурированной поверхностью. Он может оказаться более подходящим материалом для изготовления солнечных ячеек. И у него оптимальная запрещенная зона тоже будет не такой, как у перовскита с гладкой поверхностью.
После изучения этих факторов и их взаимодействия с температурой и метеорологическими условиями исследователи смогут точно смоделировать «полевую» производительность перовскитно-кремниевой ячейки. Эта модель важна для понимания того, как нужно сконструировать тандемный элемент, чтобы он наилучшим образом выводил энергию в реальных условиях эксплуатации солнечной панели.