Фотоэлементы, вернее, перовскитные элементы для них, крайне важны для современной энергетики. В этом году удалось добиться 33% КПД для двухслойных фотоэлементов. Они создаются из комбинации кремния и смеси перовскитов. Тем не менее до теоретического лимита эффективности двухслойных фотоэлементов в 45% (у однослойных он составляет около 33%) ещё довольно далеко. Кроме того, фотоэлементы деградируют со временем, что приводит к постепенному снижению эффективности преобразования световой энергии в электричество.

Структура и сочетание компонентов фотоэлементов — критический фактор для повышения эффективности. Оптимизация структуры и сочетания компонентов как раз и может приблизить учёных к тому самому лимиту, о котором говорилось выше. Обычно этим занимаются специалисты — люди. Но сейчас на помощь пришла робототехника, и работа стала гораздо более быстрой. Робот, «заточенный» под оптимизацию структуры фотоэлементов, получил название RoboMapper. Подробности — под катом.

Автоматизация процесса поиска оптимальной структуры

По словам учёных из Университета штата Северная Каролина, работа по поиску эффективного сочетания перовскитов и структуры первого слоя не только сложная, но и рутинная. Учёным приходится затрачивать много времени на поиски с последующим тестированием. Если результат не особо хороший, всё нужно начинать с начала. И так день за днём, год за годом. Фактически это метод проб и ошибок, который не очень эффективен. И речь идёт пока лишь о подборе оптимальной смеси перовскитов, чтобы в ближайшем будущем создать комплексный фотоэлемент «перовскит + кремниевая подложка» с оптимальным сочетанием компонентов и структуры материала.

Сразу напомним, что перовскит — это материал, который имеет ту же кристаллическую структуру, что и минеральный оксид кальция-титана, первый открытый кристалл перовскита. Обычно соединения перовскита имеют химическую формулу ABX3, где A и B представляют собой катионы, а X — анион, который связывается с обоими.

Для того чтобы ускорить этот процесс, команда Арама Амассяна (Aram Amassian), руководителя группы исследователей в университете, разработала роботизированную систему с применением элементов ИИ. Это не только софт, но и «железо». Робот состоит из двух частей. Первая — робот для подготовки компонентов для производства фотоэлементов. Получив набор базовых соединений и элементов, робот объединяет их в разных пропорциях и превращает в материал для фотоэлементов. Вторая — фактически принтер, который наносит готовое вещество на подложку. Ну а затем всё это тестируется.

Человек делает примерно то же самое, только размер подложки гораздо больше, чем в случае робота. А работа — медленнее. Робот же наносит смесь на чип, причём делает это очень быстро. Испытания тоже проводятся быстро — в них учёные окончательно проверяют структуру слоя и реакцию фотослоя на свет. На базе проведённых испытаний построены модели, которые позволяют увидеть изменение критически важных свойств фотоэлементов от состава. Таким образом, сейчас можно уже прогнозировать оптимальную структуру фотоэлементов, чтобы повысить КПД солнечной батареи. Учёные говорят, что иногда оптимальными по этому показателю бывают весьма неожиданные сочетания.

К слову, при помощи всё того же робота учёным удалось найти практически идеальную смесь перовскитов, которая проявляла оптимальные свойства, а также деградировала медленнее под влиянием солнечного света.

Перспективы технологии

На данный момент роботизированная система RoboMapper на базе искусственного интеллекта — лишь первый этап в вопросе создания сверхэффективных фотоэлементов. Как и говорилось в первом разделе, учёные пока подбирают смесь перовскитов с максимальным КПД. Следующий этап — создание «бутерброда» из этой смеси и кремния (или другого элемента или соединения). Тем не менее первый шаг крайне важен, поскольку даёт возможность действовать очень быстро, экономя время.

Что касается двухслойных фотоэлементов, то о них мы говорим потому, что тандем «перовскит + кремний» работает весьма эффективно. Дело в том, что оба материала поглощают свет с разными длинами волн. Так, для кремния это красный и инфракрасный спектр, а для перовскита — зелёный и синий.

Перовскиты могут быть разными. Например, три года назад КПД в 27% был достигнут благодаря тому, что учёные из Австралийского национального университета поместили слой перовскитового фотоэлемента на кремниевый. И ради улучшения КПД модифицировали верхний слой, покрыв его новым материалом — n-бутиламмонием бромида, ещё одной разновидностью перовскита. Он помогает уменьшить число дефектов на поверхности активного слоя, тем самым улучшая производительность элемента.

Похожий подход примерно тогда же использовали и учёные из США, которые добились повышения КПД кремниевых фотоэлементов с 21% до 27%. Они также взяли за основу перовскитные солнечные элементы и нанесли их поверх кремниевого фотоэлемента.

Сейчас команда разработчиков из Университета штата Северная Каролина планирует провести серию экспериментов по созданию двуслойных фотоэлементов с использованием уже найденного оптимального сочетания перовскитов для первого слоя. Если всё пройдёт хорошо, в ближайшее время будет налажен выпуск новых фотоэлементов.