05.08.2017
Команда исследователей из Кембриджского университета использовала теоретические и экспериментальные методы, чтобы показать, как висмут - так называемый «зеленый элемент», который стоит рядом со свинцом в периодической таблице Менделеева, может стать отличной нетоксичной альтернативой свинцу, в солнечных батареях.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Advanced Materials, показывают, что солнечные элементы, содержащие висмут, могут реплицировать свойства свинцовых солнечных элементов, но без токсичности.
Более поздние тесты другой исследовательской группы показали, что клетки на основе висмута могут преобразовывать свет в энергию с эффективностью до 22%, что сопоставимо с самыми инновационными солнечными батареями на рынке.
Большинство солнечных элементов, которые сейчас покрывают крыши, сделаны из кремния. Несмотря на то, что кремний очень эффективен в преобразовании света в энергию, он имеет очень низкую «допустимость дефектов», то есть он должен иметь очень высокий уровень чистоты. Это делает его энергоемким.
Последние несколько лет исследователи искали материалы, которые могут работать на одном уровне с кремнием, либо более эффективно, но без столь высоких стандартов чистоты, и более дешевые в производстве. Наиболее перспективными в этом плане являются гибридные свинцово-галидные перовскиты, которые способны совершить настоящую революцию в области солнечной энергии.
Дешевые и простые в производстве, перовскитные солнечные элементы в течение нескольких лет становятся столь же энергоэффективными, как кремний. Но, несмотря на огромный потенциал, они вызывают сомнения, из-за свинца в их химической структуре.
Именно поэтому многие ученые сейчас ищут нетоксичные материалы, которые смогут заменить свинец в перовскитных солнечных элементах, не влияя отрицательно на производительность солнечных модулей.
«Мы хотели выяснить, почему дефекты не влияют на производительность свинцово-галогенидных перовскитных солнечных батарей, так, как это было бы с другими материалами. Если мы сможем понять, в чем их особенность, то, возможно, сможем воссоздать их свойства с использованием уже других, нетоксичных материалов» - сказал д-р Роберт Хой из Лаборатории Кавендиша Кембриджа, ведущий автор статьи.
Исследователи из Кембриджа в сотрудничестве с коллегами из Массачусетского технологического института (MIT), Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и школы шахт штата Колорадо в США показали, что висмут может быть нетоксичной альтернативой свинцу в солнечных батареях нового поколения. Это тяжелый металл, как свинец, но он не токсичен.
Хой и его коллеги ранее рассматривали оксиодид висмута как материал для использования в солнечных батареях и расщепления воды. Но он не считался подходящим из-за его низкой эффективности и разрушения в жидких электролитах. Применяемые теоретические и экспериментальные методы помогли переосмыслить возможность использования этого материала в твердотельных солнечных элементах.
Ученые обнаружили, что оксиодид висмута толерантен к дефектам, стабилен на воздухе в течение 197 дней, что является преимуществом по сравнению с некоторыми соединениями перовскита свинца с галогенидом. Устройства с основой из висмута могут быть изготовлены с использованием общепринятых промышленных технологий по низкой цене.
«Оксиодид висмута обладает всеми необходимыми свойствами для новых высокоэффективных поглотителей света. Я впервые подумал об этом соединении пять лет назад, но потребовались высокоспециализированные экспериментальные и теоретические навыки целой команды ученых, чтобы доказать, что этот материал имеет реальный практический потенциал» - сказал соавтор исследования, профессор Джудит Дрисколл из Департамента материаловедения и металлургии.
«Эта работа показывает, что ранние теории об оксиодиде висмута не были ошибочными, и это соединение имеет потенциал для применения в солнечных элементах», - сказал Хой, младший научный сотрудник колледжа Магдалины.
Доктор Дэвид Сканлон, теоретик UCL, добавил: «Ранее глобальное исследовательское сообщество солнечных батарей искало нетоксичные материалы, которые повторяют устойчивость к дефектам перовскитов, но без особого успеха с точки зрения фотоэлектрических характеристик. В последней работе команда ученых на основе оптических свойств рассчитала, что оксиоид висмута имеет теоретический предел в 22% эффективности. Кремний и лучшие перовскитные солнечные батареи имеют практически такой же показатель. Следовательно, новый материал имеет огромный потенциал!».