Перовскитные солнечные батареи

в 4:20, , рубрики: альтернативная энергетика, солнечные батареи, химия

Сегодня я немного расскажу про очень хайповую тему в мировом материаловедении в последние несколько лет – перовскитные солнечные батареи. Они широко исследуются как источник экологически чистой электроэнергии.

Принцип работы солнечных батарей следующий: используется полупроводниковый материал. Такие материалы в своей электронной структуре имеют так называемую запрещенную зону – область энергий, которую электрон в нем иметь не может. Ниже по энергии находится валентная зона – в ней в нормальных условиях находятся электроны. Выше лежит незанятая зона проводимости. Если материал поглотит фотон с энергией, равной или большей ширине запрещенной зоны – один из электронов выкинет вверх в зону проводимости, оставив дырку (именно так ее и называют) в валентной зоне. При наличии в изделии материалов, проводящих отдельно электроны и отдельно дырки, электроны могут уйти во внешнюю цепь, запитав какую-то нагрузку. Таким образом, световая энергия напрямую превращается в электрическую.

Электронная структура полупроводника в сравнении с металлом и изолятором
Электронная структура полупроводника в сравнении с металлом и изолятором

Перовскитными один из типов солнечных батарей называют, потому что в них рабочих материалом являются галогениды металлов со структурой типа перовскита. Причин хайпа вокруг них несколько. Это уже достигнутые высокие коэффициенты полезного действия - КПД (до 25% световой энергии превращается напрямую в электрическую). Ширину запрещенной зоны, соответствующую энергии поглощаемых частиц света, можно тонко подстраивать под конкретные условия. Еще у таких материалов высокие коэффициенты поглощения света (много фотонов поглощается при освещении) и низкое сопротивление. Дополнительно доставляет дешевизна создания самих батарей с помощью растворной химии. Как правило, в качестве растворителя используется диметилформамид. К сожалению, все это счастье упирается в масштабирование процессов получения под промышленные условия, а также в низкую стабильность материалов.

Структура перовскита ABX3: зеленые шары - катионы A, синие шары - катионы B, красные шары - анионы X.

Структура перовскита ABX3: зеленые шары - катионы A, синие шары - катионы B, красные шары - анионы X.

Для производства больших солнечных батарей необходимо получение высококачественных тонких пленок, однако процессы зародышеобразования и роста кристаллов перовскитов из раствора очень плохо поддаются контролю. Исследуется множество подходов для получения высококачественных пленок – добавление поверхностно-активных веществ, обработка вакуумом, повышенной температурой, газовые потоки и так далее и тому подобное… Еще один метод выращивания качественных пленок, весьма эффективный, состоит в получении легко растущих тонких пленок из иодида свинца (может, кто-то видел эксперимент с его осаждением – красивые желтые кристаллы), захватывающих из раствора реагенты для реакции образования перовскита, идущей при нагреве пленки.

Перовскитные солнечные батареи - 3

Со стабильностью же следующая проблема: обычно исследуемое в качестве рабочего материала таких батарей соединение MAPbI3 – трииодид метиламмония-свинца – нестабильно при нагревании и при облучении интенсивным солнечным светом за счет вызываемого температурой фазового перехода – при нагреве перестраивается кристаллическая решетка вещества, и кирдык его свойствам. Альтернативой являются системы на основе катиона формамидиния: FAPbI3 или (FACs)PbI3 с большей термостойкостью и потенциально большим КПД. На иллюстрации представлены формулы метиламмония и формамидиния, в описании даны химические формулы рабочих веществ. Добавка цезия дополнительно стабилизирует систему. К сожалению, рост пленок из таких соединений оказалось еще сложнее контролировать, чем для MAPbI3.

MAPbI3=CH3NH3PbI3FAPbI3=(HC(NH2)2)PbI3(FACs)PbI3 - то же, только часть формамидиния замещена на цезий

MAPbI3 = CH3NH3PbI3FAPbI3 = (HC(NH2)2)PbI3(FACs)PbI3 - то же, только часть формамидиния замещена на цезий

Возможная структура готового изделия - перовскитной солнечной батареи - послойно: допированный фтором диоксид олова (прозрачный проводник), диоксид олова, перовскит, спиро-OMeTAD (проводящий слой для транспорта дырок), золото.

Перовскитные солнечные батареи - 5

Главный вопрос, который лично меня интересует – это где во всей этой схеме экология, учитывая свинец в рабочем материале…

Автор: Иван Прихно

Оригинал

Автор: CatScience

Источник

* - обязательные к заполнению поля


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