Naukowcy z Princeton Engineering opracowali pierwsze ogniwo słoneczne z perowskitu o opłacalnym okresie eksploatacji, co stanowi kamień milowy dla powstającej klasy technologii energii odnawialnej. Zespół projektuje, że ich urządzenie może działać powyżej standardów branżowych przez około 30 lat, czyli znacznie dłużej niż 20 lat stosowane jako próg rentowności ogniw słonecznych.
Urządzenie jest nie tylko bardzo trwałe, ale także spełnia powszechne normy wydajności. Jest pierwszym tego rodzaju, który może konkurować wydajnością z ogniwami krzemowymi, które zdominowały rynek od czasu ich wprowadzenia w 1954 roku.
Perowskity to półprzewodniki o specjalnej strukturze krystalicznej, która sprawia, że dobrze nadają się do technologii ogniw słonecznych. Można je wytwarzać w temperaturze pokojowej, zużywając znacznie mniej energii niż krzem, co czyni je tańszymi i bardziej zrównoważonymi w produkcji. I podczas gdy krzem jest sztywny i nieprzezroczysty, perowskity można uczynić elastycznymi i przezroczystymi, rozszerzając energię słoneczną znacznie poza kultowe panele, które zaludniają wzgórza i dachy w całej Ameryce.
Ale w przeciwieństwie do krzemu perowskity są bardzo kruche. Wczesne ogniwa słoneczne perowskitowe (PSC), stworzone w latach 2009-2012, trwały zaledwie kilka minut. Przewidywana żywotność nowego urządzenia oznacza pięciokrotny wzrost w stosunku do poprzedniego rekordu, ustanowionego przez niższą wydajność PSC w 2017 roku. (To urządzenie działało w ciągłym oświetleniu w temperaturze pokojowej przez rok. Nowe urządzenie działałoby przez pięć lat w warunkach podobne warunki laboratoryjne.)
Zespół Princeton, kierowany przez Lynn Loo, Theodora D. ’78 i William H. Walton III ’74 Professor in Engineering, ujawnił swoje nowe urządzenie i nową metodę testowania takich urządzeń w artykule opublikowanym 16 czerwca w Science.
Loo powiedział, że ustanawiający rekordy projekt uwydatnił trwały potencjał PSC, zwłaszcza jako sposób na wypchnięcie technologii ogniw słonecznych poza granice krzemu. Ale wskazała również poza nagłówek na nową technikę przyspieszonego starzenia się jej zespołu, jako że praca ma głębsze znaczenie.
„Możemy mieć płytę dzisiaj”, powiedziała, „ale jutro ktoś inny przyjdzie z lepszym nagraniem. Naprawdę ekscytujące jest to, że teraz mamy sposób na przetestowanie tych urządzeń i wiemy, jak sprawdzą się w długoterminowy.”
Ze względu na dobrze znaną słabość perowskitów, długoterminowe testy nie były aż do tej pory problemem. Jednak w miarę jak urządzenia stają się coraz lepsze i trwalsze, testowanie jednego projektu z drugim stanie się kluczowe we wprowadzaniu trwałych, przyjaznych dla konsumenta technologii.
„Ten artykuł prawdopodobnie będzie prototypem dla każdego, kto chce analizować wydajność na przecięciu wydajności i stabilności” – powiedział Joseph Berry, starszy pracownik National Renewable Energy Laboratory, który specjalizuje się w fizyce ogniw słonecznych i który nie był zaangażowanych w to badanie. „Produkując prototyp do badania stabilności i pokazując, co można ekstrapolować [through accelerated testing], wykonuje pracę, którą wszyscy chcą zobaczyć, zanim rozpoczniemy testy terenowe na dużą skalę. Pozwala na projekcję w sposób, który jest naprawdę imponujący”.
Chociaż wydajność wzrosła w niezwykłym tempie w ciągu ostatniej dekady, powiedział Berry, stabilność tych urządzeń poprawiała się wolniej. Aby stały się one powszechne i wdrażane przez przemysł, testy będą musiały stać się bardziej wyrafinowane. Tu właśnie pojawia się przyspieszony proces starzenia się Loo.
„Tego rodzaju testy będą mieć coraz większe znaczenie” — powiedział Loo. „Można zrobić najbardziej wydajne ogniwa słoneczne, ale nie ma znaczenia, jeśli nie są stabilne”.
Jak się tu dostali?
Na początku 2020 r. zespół Loo pracował nad różnymi architekturami urządzeń, które utrzymałyby stosunkowo wysoką wydajność — przekształcając wystarczającą ilość światła słonecznego w energię elektryczną, aby były cenne — i przetrwały napór ciepła, światła i wilgoci, które bombardują ogniwo słoneczne podczas jego eksploatacji .
Xiaoming Zhao, badacz z tytułem doktora w laboratorium Loo, pracował z kolegami nad wieloma projektami. Wysiłki ułożyły warstwy różnych materiałów, aby zoptymalizować absorpcję światła, jednocześnie chroniąc najbardziej delikatne obszary przed ekspozycją. Opracowali ultracienką warstwę przykrywającą między dwoma kluczowymi składnikami: absorbującą warstwą perowskitu i warstwą przenoszącą ładunek wykonaną z soli miedzi i innych substancji. Celem było uchronienie półprzewodnika perowskitowego przed wypaleniem w ciągu tygodni lub miesięcy, co było wówczas normą.
Trudno pojąć, jak cienka jest ta warstwa wierzchnia. Naukowcy używają terminu 2D, aby to opisać, co oznacza dwa wymiary, jako coś, co w ogóle nie ma grubości. W rzeczywistości ma grubość zaledwie kilku atomów – ponad milion razy mniejszą niż najmniejsza rzecz, jaką może zobaczyć ludzkie oko. Chociaż pomysł warstwy wierzchniej 2D nie jest nowy, nadal jest uważany za obiecującą, rozwijającą się technikę. Naukowcy z NREL wykazali, że warstwy 2D mogą znacznie poprawić wydajność na długich dystansach, ale nikt nie opracował urządzenia, które zbliżyłoby perowskity do komercyjnego progu 20-letniego okresu eksploatacji.
Zhao i jego koledzy przeszli przez dziesiątki permutacji tych projektów, zmieniając najdrobniejsze szczegóły geometrii, zmieniając liczbę warstw i wypróbowując dziesiątki kombinacji materiałów. Każdy projekt trafiał do kasetonu świetlnego, gdzie mogli naświetlać wrażliwe urządzenia nieubłaganym, jasnym światłem i mierzyć ich spadek wydajności w czasie.
Jesienią tego roku, gdy pierwsza fala pandemii opadła, a naukowcy wrócili do swoich laboratoriów, aby zająć się eksperymentami w starannie skoordynowanych zmianach, Zhao zauważył w danych coś dziwnego. Jeden zestaw urządzeń nadal wydawał się działać blisko swojej szczytowej wydajności.
„Po prawie pół roku nastąpił praktycznie zerowy spadek” – powiedział.
Wtedy zdał sobie sprawę, że potrzebuje sposobu, aby przetestować swoje urządzenie szybciej, niż pozwalał na to jego eksperyment w czasie rzeczywistym.
„Żądany przez nas czas życia to około 30 lat, ale testowanie urządzenia nie może zająć 30 lat” — powiedział Zhao. „Potrzebujemy więc sposobu, aby przewidzieć ten okres życia w rozsądnym czasie. Dlatego to przyspieszone starzenie jest bardzo ważne”.
Nowa metoda testowania przyspiesza proces starzenia poprzez oświetlanie urządzenia podczas nagrzewania go. Proces ten przyspiesza to, co działo się naturalnie przez lata regularnej ekspozycji. Naukowcy wybrali cztery temperatury starzenia i zmierzyli wyniki w tych czterech różnych strumieniach danych, od temperatury bazowej typowego letniego dnia do skrajnych temperatur 230 stopni Fahrenheita, wyższych niż temperatura wrzenia wody.
Następnie dokonali ekstrapolacji połączonych danych i prognozowali wydajność urządzenia w temperaturze pokojowej przez dziesiątki tysięcy godzin ciągłego oświetlenia. Wyniki pokazały, że urządzenie będzie działać ponad 80 procent swojej szczytowej wydajności przy ciągłym oświetleniu przez co najmniej pięć lat w średniej temperaturze 95 stopni Fahrenheita. Używając standardowych wskaźników konwersji, Loo powiedział, że jest to laboratoryjny odpowiednik 30 lat pracy na zewnątrz na obszarze takim jak Princeton w stanie New Jersey.
Jagoda NREL zgodziła się. „To bardzo wiarygodne” – powiedział. „Niektórzy ludzie nadal będą chcieli, aby to się rozegrało. Ale jest to o wiele bardziej wiarygodna nauka niż wiele innych prób prognozowania”.
Michael Jordan ogniw słonecznych
Ogniwa słoneczne Perovskite zostały wprowadzone w 2006 roku, a pierwsze opublikowane urządzenia pojawiły się w 2009 roku. Niektóre z najwcześniejszych urządzeń działały zaledwie kilka sekund. Inni min. W 2010 roku żywotność urządzeń wzrosła do dni i tygodni, a wreszcie miesięcy. Następnie w 2017 roku grupa ze Szwajcarii opublikowała przełomowy artykuł na temat PSC, który trwał przez cały rok ciągłego oświetlania.
Tymczasem wydajność tych urządzeń gwałtownie wzrosła w tym samym okresie. Podczas gdy pierwszy PSC wykazał wydajność konwersji mocy poniżej 4%, naukowcy zwiększyli ten wskaźnik prawie dziesięciokrotnie w ciągu wielu lat. Była to jak dotąd najszybsza poprawa, jaką naukowcy zauważyli w jakiejkolwiek klasie technologii energii odnawialnej.
Dlaczego więc nacisk na perowskity? Berry powiedział, że połączenie najnowszych osiągnięć czyni je wyjątkowo pożądanymi: nowo wysoka wydajność, niezwykła „przestrajalność”, która pozwala naukowcom na tworzenie bardzo specyficznych zastosowań, zdolność do ich lokalnej produkcji przy niskich nakładach energii, a teraz wiarygodna prognoza przedłużonego życia w połączeniu z wyrafinowanym procesem starzenia w celu przetestowania szerokiej gamy projektów.
Loo powiedział, że nie jest tak, że PSC zastąpią urządzenia krzemowe tak bardzo, że nowa technologia uzupełni starą, czyniąc panele słoneczne jeszcze tańszymi, wydajniejszymi i trwalszymi niż obecnie, a także rozszerzając energię słoneczną na niewypowiedziane nowe obszary współczesnego życia. Na przykład jej grupa niedawno zademonstrowała całkowicie przezroczystą folię perowskitową (o innej chemii), która może zamieniać okna w urządzenia wytwarzające energię bez zmiany ich wyglądu. Inne grupy znalazły sposoby na drukowanie atramentów fotowoltaicznych za pomocą perowskitów, dzięki czemu naukowcy zajmujący się formfaktorami dopiero teraz wymyślają.
Ale główna zaleta na dłuższą metę, według Berry’ego i Loo: Perowskity można wytwarzać w temperaturze pokojowej, podczas gdy krzem jest wykuwany w temperaturze około 3000 stopni Fahrenheita. Ta energia musi skądś pochodzić, a w tej chwili oznacza to spalanie wielu paliw kopalnych.
Berry dodał: Ponieważ naukowcy mogą łatwo i szeroko dostrajać właściwości perowskitu, pozwalają różnym platformom na bezproblemową współpracę. Może to mieć kluczowe znaczenie dla krzemu ślubnego z nowymi platformami, takimi jak cienkowarstwowa i organiczna fotowoltaika, które również poczyniły ogromne postępy w ostatnich latach.
„To trochę jak Michael Jordan na boisku do koszykówki” – powiedział. „Świetne samo w sobie, ale sprawia, że wszyscy inni gracze są lepsi”.