Новый безсвинцовый перовскит на основе цезия, натрия, железа и брома (Cs₂NaFeBr₆) может обеспечить коэффициент полезного действия солнечных элементов до 32%. Согласно расчетам, такая эффективность достигается при толщине поглощающего слоя всего 5 мкм. К такому выводу пришли ученые Бангладешского университета инженерии и технологий и Даккского университета инженерии и технологий, которые с помощью компьютерного моделирования изучили свойства нового материала.
Перовскиты считаются одним из наиболее перспективных материалов для солнечной энергетики: они хорошо поглощают свет и позволяют создавать очень тонкие фотоактивные слои. Эффективность лучших перовскитных солнечных элементов уже достигла 26,7%. Однако большинство наиболее эффективных материалов этого класса содержат свинец, токсичность которого остается одним из препятствий для их широкого применения. Поэтому ученые ищут безсвинцовые соединения, которые могли бы сохранить преимущества перовскитов. Одним из таких кандидатов и стал Cs₂NaFeBr₆.
Сам материал исследователи пока не синтезировали. Его свойства изучили с помощью расчетов на основе квантовой механики: ученые смоделировали кристаллическую структуру, проверили ее устойчивость, а затем рассчитали электронные, механические и оптические характеристики соединения. Результаты показали, что Cs₂NaFeBr₆ способен образовывать устойчивую кубическую кристаллическую решетку и не должен самопроизвольно распадаться или менять структуру. Кроме того, расчеты указывают на сравнительно мягкую и пластичную структуру материала, что может быть полезно при изготовлении тонких пленок.
Одной из ключевых характеристик Cs₂NaFeBr₆ стала ширина запрещенной зоны – 1,09 эВ. Этот показатель определяет, сколько энергии необходимо электрону, чтобы перейти в состояние, в котором он сможет участвовать в создании электрического тока. Для сравнения: у кремния ширина запрещенной зоны составляет около 1,1 эВ. Полученное значение находится в диапазоне, подходящем для эффективного преобразования солнечного света в электричество. Расчеты также показали, что материал хорошо поглощает видимый свет, а электроны в нем могут достаточно свободно перемещаться, что важно для переноса электрического заряда.
Особенно эффективно Cs₂NaFeBr₆ работает уже в очень тонком слое. При толщине всего 1 мкм расчетная эффективность солнечного элемента составила 30,6%, а при 5 мкм – 32,09%. Последний показатель практически совпадает с пределом Шокли-Квайссера – теоретическим максимумом эффективности однопереходного солнечного элемента с такой шириной запрещенной зоны, который составляет около 32,2%.
Высокие расчетные показатели связаны в том числе со способностью материала хорошо поглощать свет и переносить образующиеся заряды. Кроме того, Cs₂NaFeBr₆ обладает высокой диэлектрической проницаемостью, благодаря чему снижается взаимодействие между положительными и отрицательными носителями заряда. Это может уменьшать их рекомбинацию – процесс, при котором заряды воссоединяются и полученная от света энергия теряется вместо того, чтобы превратиться в электрический ток.
Впрочем, пока речь идет только о теоретических расчетах. Ученым еще предстоит синтезировать Cs₂NaFeBr₆ и проверить его характеристики экспериментально. В реальном солнечном элементе эффективность будет зависеть от качества полученного материала, количества дефектов, потерь заряда и устойчивости к влаге, кислороду, нагреву и длительному воздействию света.
