Inżynierowie z Rice University twierdzą, że rozwiązali od dawna zagadkę tworzenia stabilnych, wydajnych paneli słonecznych z halogenkowych perowskitów.
Trzeba było znaleźć odpowiedni projekt rozpuszczalnika, aby nałożyć górną warstwę 2D o pożądanym składzie i grubości bez niszczenia dolnej warstwy 3D (lub odwrotnie). Takie ogniwo zamieniłoby więcej światła słonecznego w energię elektryczną niż każda z warstw z osobna, z lepszą stabilnością.
Inżynier chemik i biomolekular Aditya Mohite i jego laboratorium w Rice’s George R. Brown School of Engineering ogłosili w Science swój sukces w budowie cienkich ogniw słonecznych 3D/2D, które zapewniają wydajność konwersji energii na poziomie 24,5%.
To tak samo wydajne, jak większość dostępnych na rynku ogniw słonecznych, powiedział Mohite.
„To jest naprawdę dobre w przypadku elastycznych komórek dwutwarzowych, w których światło wpada z obu stron, a także w przypadku komórek stykających się z powrotem” – powiedział. „Perowskity 2D pochłaniają niebieskie i widoczne fotony, a strona 3D pochłania bliską podczerwień”.
Perowskity to kryształy z sześciennymi kratami, o których wiadomo, że są wydajnymi zbieraczami światła, ale materiały są zwykle obciążone światłem, wilgocią i ciepłem. Mohite i wielu innych przez lata pracowało nad praktycznymi ogniwami słonecznymi z perowskitu.
Powiedział, że nowy postęp w dużej mierze usuwa ostatnią poważną przeszkodę w produkcji komercyjnej.
„Jest to istotne na wielu poziomach” – powiedział Mohite. „Jednym z nich jest to, że wykonanie dwuwarstwy przetwarzanej w roztworze, gdy obie warstwy są z tego samego materiału, jest fundamentalnym wyzwaniem. Problem polega na tym, że obie rozpuszczają się w tych samych rozpuszczalnikach.
„Kiedy nakładasz warstwę 2D na warstwę 3D, rozpuszczalnik niszczy warstwę leżącą pod spodem” – powiedział. „Ale nasza nowa metoda rozwiązuje ten problem”.
Mohite powiedział, że ogniwa perowskitowe 2D są stabilne, ale mniej wydajne w konwersji światła słonecznego. Perowskity 3D są bardziej wydajne, ale mniej stabilne. Łącząc je łączy w sobie najlepsze cechy obu.
„To prowadzi do bardzo wysokiej wydajności, ponieważ teraz, po raz pierwszy w terenie, jesteśmy w stanie tworzyć warstwy z ogromną kontrolą” – powiedział. „Pozwala nam kontrolować przepływ ładunku i energii nie tylko dla ogniw słonecznych, ale także urządzeń optoelektronicznych i diod LED”.
Wydajność komórek testowych wystawionych na laboratoryjny odpowiednik 100% światła słonecznego przez ponad 2000 godzin „nie spada nawet o 1%” – powiedział. Nie licząc podłoża szklanego, komórki miały grubość około 1 mikrona.
Przetwarzanie w roztworze jest szeroko stosowane w przemyśle i obejmuje szereg technik — powlekanie obrotowe, powlekanie zanurzeniowe, powlekanie ostrza, powlekanie matrycy szczelinowej i inne — w celu osadzania materiału na powierzchni w cieczy. Gdy ciecz odparowuje, pozostaje czysta powłoka.
Kluczem jest równowaga między dwiema właściwościami samego rozpuszczalnika: jego stałą dielektryczną i liczbą donorową Gutmanna. Stała dielektryczna to stosunek przepuszczalności elektrycznej materiału do jego wolnej przestrzeni. To określa, jak dobrze rozpuszczalnik może rozpuścić związek jonowy. Liczba donora jest miarą zdolności cząsteczek rozpuszczalnika do oddawania elektronów.
„Jeśli odkryjesz korelację między nimi, odkryjesz, że istnieją około cztery rozpuszczalniki, które pozwalają rozpuszczać perowskity i pokrywać je wirowaniem bez niszczenia warstwy 3D” – powiedział Mohite.
Powiedział, że ich odkrycie powinno być kompatybilne z produkcją roll-to-roll, która zwykle wytwarza 30 metrów ogniw słonecznych na minutę.
„Ten przełom po raz pierwszy prowadzi do heterostruktur urządzeń perowskitowych zawierających więcej niż jedną warstwę aktywną” – powiedział współautor Jacky Even, profesor fizyki w Narodowym Instytucie Nauki i Technologii w Rennes we Francji. „Marzenie o inżynierii złożonych architektur półprzewodnikowych za pomocą perowskitów ma się wkrótce spełnić. Kolejnymi krokami będą nowatorskie zastosowania i badanie nowych zjawisk fizycznych”.
„Ma to wpływ nie tylko na energię słoneczną, ale także na zielony wodór, z ogniwami, które mogą wytwarzać energię i przekształcać ją w wodór” – powiedział Mohite. „Może to również umożliwić wykorzystanie energii słonecznej niezwiązanej z siecią dla samochodów, dronów, fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem, a nawet rolnictwa”.
Głównym autorem artykułu jest absolwent Rice Siraj Sidhik. Współautorami zrzeszonymi w Rice są student wymiany Yafei Wang; absolwenci Andrew Torma, Xinting Shuai, Wenbin Li i Ayush Agarwal; badacze Tanguy Terlier i Anand Puthirath; Matthew Jones, adiunkt Norman i Gene Hackerman w dziedzinie chemii i inżynierii materiałowej oraz nanoinżynierii; oraz Pulickel Ajayan, Benjamin M. i Mary Greenwood Anderson Professor in Engineering oraz profesor materiałoznawstwa i nanoinżynierii, chemii oraz inżynierii chemicznej i biomolekularnej. Inni współautorzy to doktor habilitowany Michael De Siena i Mercouri Kanatzidis, profesor chemii z Northwestern University; absolwent Reza Asadpour i Muhammad Ashraful Alam, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej Jai N. Gupta na Uniwersytecie Purdue; badacz podoktorancki Kevin Ho, naukowiec Rajiv Giridharagopal i David Ginger z Katedry Chemii B. Seymour Rabinovitch Endowed na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle; badacze Boubacar Traore i Claudine Katan z Uniwersytetu w Rennes; oraz Joseph Strzałka, fizyk z Argonne National Laboratory.
Departament Efektywności Energetycznej i Program Energii Odnawialnej (0008843), Instytut Akademicki Francji, program badań i innowacji Unii Europejskiej Horyzont 2020 (861985), Biuro Badań Marynarki Wojennej (N00014-20-1-2725), Argonne National Laboratory (DE-AC02-06CH11357), National Science Foundation (1626418, 1719797) oraz Department of Energy (DE-SC00