Materiały słoneczne nowej generacji są tańsze i bardziej zrównoważone w produkcji niż tradycyjne krzemowe ogniwa słoneczne, nadal jednak istnieją przeszkody w zapewnieniu wystarczającej trwałości urządzeń, aby wytrzymały warunki w rzeczywistych warunkach. Nowa technika opracowana przez zespół międzynarodowych naukowców może uprościć rozwój wydajnych i stabilnych perowskitowych ogniw słonecznych, których nazwa wzięła się od ich unikalnej struktury krystalicznej, która doskonale absorbuje światło widzialne.
Naukowcy, w tym Nelson Dzade z Penn State, ogłosili w czasopiśmie Nature Energy swoją nową metodę tworzenia trwalszych perowskitowych ogniw słonecznych, które nadal osiągają wysoką sprawność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną na poziomie 21,59%.
Perowskity stanowią obiecującą technologię słoneczną, ponieważ ogniwa można wytwarzać w temperaturze pokojowej przy użyciu mniejszej ilości energii niż tradycyjne materiały krzemowe, co czyni je tańszymi i bardziej zrównoważonymi w produkcji, twierdzi Dzade, adiunkt inżynierii energii i minerałów w John and Willie Leone Katedra Rodzinna Energetyki i Inżynierii Mineralnej oraz współautor pracy. Naukowcy twierdzą jednak, że główni kandydaci wykorzystywani do produkcji tych urządzeń, hybrydowe organiczno-nieorganiczne halogenki metali, zawierają składniki organiczne podatne na wilgoć, tlen i ciepło, a narażenie na warunki rzeczywiste może prowadzić do szybkiego pogorszenia wydajności.
Jedno z rozwiązań polega na przejściu na całkowicie nieorganiczne materiały perowskitowe, takie jak jodek cezu i ołowiu, który ma dobre właściwości elektryczne i doskonałą tolerancję na czynniki środowiskowe. Jednak materiał ten jest polimorficzny, co oznacza, że ma wiele faz o różnych strukturach krystalicznych. Dwie z faz fotoaktywnych są dobre dla ogniw słonecznych, ale w temperaturze pokojowej mogą z łatwością przekształcić się w niepożądaną fazę niefotoaktywną, która powoduje defekty i pogarsza wydajność ogniwa słonecznego – twierdzą naukowcy.
Naukowcy połączyli dwie fotoaktywne polimorfy jodku cezu i ołowiu, tworząc heterozłącze fazowe, które może powstrzymać przemianę w niepożądaną fazę – twierdzą naukowcy. Heterozłącza powstają w wyniku ułożenia różnych materiałów półprzewodnikowych, takich jak warstwy w ogniwie słonecznym, o odmiennych właściwościach optoelektronicznych. Te złącza w urządzeniach słonecznych można dostosować tak, aby pomagały absorbować więcej energii słonecznej i efektywniej przekształcać ją w energię elektryczną.
„Piękne w tej pracy jest to, że pokazuje, że najlepszym rozwiązaniem jest wytwarzanie ogniw słonecznych z heterozłączem fazowym przy użyciu dwóch polimorfów tego samego materiału” – powiedział Dzade. „Poprawia stabilność materiału i zapobiega wzajemnej konwersji między dwiema fazami. Utworzenie spójnego interfejsu między dwiema fazami umożliwia łatwy przepływ elektronów przez urządzenie, co prowadzi do zwiększonej wydajności konwersji mocy. To właśnie wykazaliśmy w tej pracy. “
Naukowcy wyprodukowali urządzenie, które osiągnęło wydajność konwersji energii na poziomie 21,59%, jedną z najwyższych odnotowanych dla tego typu podejścia, oraz doskonałą stabilność. Dzade powiedział, że urządzenia utrzymały ponad 90% początkowej wydajności po 200 godzinach przechowywania w warunkach otoczenia.
„Po przeskalowaniu z laboratorium do rzeczywistego modułu słonecznego nasz projekt wykazał efektywność konwersji energii na poziomie 18,43% dla powierzchni ogniwa słonecznego większej niż 7 cali kwadratowych (18,08 centymetra kwadratowego)” – powiedział Dzade. „Te wstępne wyniki podkreślają potencjał naszego podejścia do opracowywania bardzo dużych perowskitowych modułów ogniw słonecznych i wiarygodnej oceny ich stabilności”.
Dzade modelował strukturę i właściwości elektroniczne heterozłącza w skali atomowej i odkrył, że połączenie dwóch faz fotoaktywnych stworzyło stabilną i spójną strukturę interfejsu, która sprzyja skutecznemu rozdzielaniu i przenoszeniu ładunków – właściwości pożądane przy uzyskiwaniu urządzeń słonecznych o wysokiej wydajności.
Współpracownicy Dzade’a z Uniwersytetu Chonnam w Korei Południowej opracowali unikalną metodę podwójnego osadzania do wytwarzania urządzenia – osadzania jednej fazy techniką gorącego powietrza, a drugiej metodą odparowania termicznego z potrójnym źródłem. Dodanie niewielkich ilości dodatków molekularnych i organicznych podczas procesu osadzania jeszcze bardziej poprawiło właściwości elektryczne, wydajność i stabilność urządzenia, powiedziała Sawanta S. Mali, profesor naukowy na Uniwersytecie Chonnam w Korei Południowej i główna autorka artykułu.
„Wierzymy, że technika podwójnego osadzania, którą opracowaliśmy w tej pracy, będzie miała ważne implikacje dla dalszego wytwarzania wysoce wydajnych i stabilnych perowskitowych ogniw słonecznych” – powiedział Nelson Dzade, adiunkt w dziedzinie inżynierii energii i minerałów w Wydziale Energii Rodziny Johna i Williego Leone i Inżynierii Mineralnej oraz współautor badania.
Naukowcy stwierdzili, że technika podwójnego osadzania może utorować drogę do opracowania dodatkowych ogniw słonecznych opartych na wszystkich perowskitach nieorganicznych lub innych kompozycjach perowskitów halogenkowych. Oprócz rozszerzenia tej techniki na różne składy, przyszłe prace będą obejmować zwiększenie trwałości obecnych ogniw z heterozłączem fazowym w warunkach rzeczywistych i skalowanie ich do rozmiarów tradycyjnych paneli słonecznych – twierdzą naukowcy.
„Uważamy, że dzięki takiemu podejściu w najbliższej przyszłości powinno być możliwe zwiększenie wydajności tego materiału do ponad 25%” – powiedział Dzade. „A kiedy już to zrobimy, komercjalizacja będzie już bardzo blisko”.
Wkład wnieśli także Chang Kook Hong, profesor i Jyoti Patil, profesor naukowy na Uniwersytecie Narodowym Chonnam w Korei Południowej; Yu-Wu Zhong, profesor i Jiang-Yang Shao, badacz w Instytucie Chemii Chińskiej Akademii Nauk; oraz Sachin Rondiya, adiunkt w Indyjskim Instytucie Nauki.
Koreańska Narodowa Fundacja Badawcza wsparła tę pracę. Symulacje komputerowe przeprowadzono na superkomputerze Roar w Instytucie Nauk Obliczeniowych i Danych w Penn State.