По данным недавнего отчета Solar Energy Industries Association и Wood Mackenzie Power & Renewables, в США наблюдается рост числа электростанций с использованием солнечных панелей, причем в начале 2019 года было установлено более 2 миллионов новых панелей.
Для удовлетворения постоянно растущих потребностей, желательны недорогие, и более эффективные альтернативы солнечным элементам на основе кремния — в настоящее время это наиболее широко используемая технология. За последнее десятилетие перовскиты с галогенидами свинца стали наиболее перспективным классом альтернативных материалов; однако они нестабильны. Они содержат свинец, который токсичен и представляет потенциальную опасность для здоровья и окружающей среды, такую как загрязнение грунтовых вод.
Команда инженеров из Вашингтонского университета в Сент-Луисе нашла то, что они считают более стабильным, менее токсичным полупроводником для солнечных панелей, используя новый оксид двойного перовскита, обнаруженный с помощью анализа данных и квантово-механических расчетов.
Их работа была опубликована в сети 11 июня в разделе «Химия материалов».
Рохан Мишра, доцент кафедры машиностроения и материаловедения в Инженерной школе Маккелви, руководил междисциплинарной международной командой, которая открыла новый полупроводник, состоящий из калия, бария, теллура, висмута и кислорода (KBaTeBiO6). Не содержащий свинца двойной перовскитный оксид был одним из 30000 потенциальных оксидов на основе висмута. Из этих 30000 только около 25 были известны соединения.
Используя информатику материалов и квантово-механические расчеты на одном из самых быстрых суперкомпьютеров в мире, Арашдип Сингх Тинд, аспирант лаборатории Мишры, базирующейся в Национальной лаборатории Ок-Риджа, обнаружил, что KBaTeBiO6 является наиболее перспективным из 30 000 потенциальных оксидов.
«Мы обнаружили, что это наиболее стабильное соединение, и его можно синтезировать в лаборатории», — сказал Мишра. «Что еще более важно, в то время как большинство оксидов имеют тенденцию иметь большую полосу, мы предсказали, что новое соединение будет иметь меньшую ширину запрещенной зоны, которая близка к галогенидным перовскитам, и иметь достаточно хорошие свойства».
Ширина запрещенной зоны — это энергетический барьер, который электроны должны преодолеть, чтобы сформировать свободные носители, которые в контексте солнечного элемента могут быть извлечены для питания электрического устройства или сохранены в батарее для последующего использования. Энергия для преодоления этого барьера обеспечивается солнечным светом. Мишра сказал, что наиболее перспективные соединения для солнечных батарей имеют ширину запрещенной зоны около 1,5 эВ, или электрон/вольт.
Мишра обсудил возможность синтеза KBaTeBiO6 с Пратимом Бисвасом, помощником вице-канцлера, профессором Люси и Стэнли Лопата и заведующим кафедрой энергетики, экологии и химической инженерии. Шалини Кавадия, в то время докторант McKelvey Engineering, а ныне научный сотрудник в Университете штата Аризона, приступил к совершенствованию технологии.
«Шалини провел около шести месяцев, синтезируя материал», — сказал Мишра. «Как только мы смогли синтезировать новый полупроводник, как и предполагалось, он стал стабильней, и имел запрещенную зону 1,88 эВ, что мы и ожидали».
Мишра сказал, что это солнечные элементы первого поколения, которые нуждаются в более тонкой настройке ширины запрещенной зоны, это хороший первый шаг к нетоксичным солнечным элементам.
«Это показывает, что мы можем уйти от этих перовскитов с галогенидами свинца», — сказал Мишра. «Это открывает действительно большое пространство для разработки полупроводников не только для солнечных батарей, но и для других полупроводниковых приложений, таких как ЖК-дисплеи».
Затем команда изучит роль любых дефектов в этом новом полупроводнике, и рассмотрит более продвинутые методы синтеза, в том числе с использованием аэрозольных методов.
