Naukowcy zajmujący się materiałami z UCLA Samueli School of Engineering i koledzy z pięciu innych uniwersytetów na całym świecie odkryli główny powód, dla którego ogniwa słoneczne perowskitowe – które wykazują wielką obietnicę poprawy wydajności konwersji energii – ulegają degradacji w świetle słonecznym, powodując pogorszenie ich wydajności nadgodziny. Zespół z powodzeniem zademonstrował proste dostosowanie produkcji, aby naprawić przyczynę degradacji, usuwając największą przeszkodę w powszechnym stosowaniu technologii cienkowarstwowych ogniw słonecznych.
Artykuł badawczy szczegółowo opisujący odkrycia został opublikowany dzisiaj w Nature jako artykuł wczesnego dostępu. Badania prowadzone są przez Yang Yang, profesora inżynierii materiałowej UCLA Samueli oraz posiadacza katedry obdarzonej Carol and Lawrence E. Tannas, Jr. Współpierwsi autorzy to Shaun Tan i Tianyi Huang, obaj niedawni dr UCLA Samueli. absolwentów, którym doradzał Yang.
Perowskity to grupa materiałów, które mają taki sam układ atomowy lub strukturę krystaliczną jak mineralny tlenek wapnia i tytanu. Podgrupa perowskitów, perowskity metalohalogenkowe, cieszy się dużym zainteresowaniem badawczym ze względu na ich obiecujące zastosowanie w energooszczędnych, cienkowarstwowych ogniwach słonecznych.
Ogniwa słoneczne na bazie perowskitu mogą być produkowane przy znacznie niższych kosztach niż ich odpowiedniki na bazie krzemu, dzięki czemu technologie energii słonecznej stają się bardziej dostępne, jeśli można odpowiednio zająć się powszechnie znaną degradacją pod wpływem długiego naświetlania.
„Ogniwa słoneczne na bazie perowskitu mają tendencję do pogarszania się w świetle słonecznym znacznie szybciej niż ich krzemowe odpowiedniki, więc ich skuteczność w przekształcaniu światła słonecznego w energię elektryczną spada w dłuższej perspektywie” – powiedział Yang, który jest również członkiem California NanoSystems Institute na UCLA. „Jednak nasze badania pokazują, dlaczego tak się dzieje, i stanowią proste rozwiązanie. Stanowi to duży przełom w komercjalizacji i powszechnej akceptacji technologii perowskitu”.
Powszechna obróbka powierzchni stosowana do usuwania defektów ogniw słonecznych polega na osadzeniu warstwy jonów organicznych, które powodują, że powierzchnia jest zbyt ujemnie naładowana. Zespół kierowany przez UCLA odkrył, że chociaż obróbka ma na celu poprawę wydajności konwersji energii podczas procesu wytwarzania perowskitowych ogniw słonecznych, w sposób niezamierzony tworzy również powierzchnię bardziej bogatą w elektrony – potencjalną pułapkę dla elektronów przenoszących energię.
Ten stan destabilizuje uporządkowany układ atomów, a z biegiem czasu ogniwa słoneczne perowskitowe stają się coraz mniej wydajne, co ostatecznie czyni je nieatrakcyjnymi dla komercjalizacji.
Uzbrojeni w to nowe odkrycie, naukowcy znaleźli sposób na zajęcie się długoterminową degradacją komórek poprzez łączenie dodatnio naładowanych jonów z ujemnie naładowanymi do obróbki powierzchni. Przełącznik sprawia, że powierzchnia jest bardziej neutralna elektronowo i stabilna, zachowując jednocześnie integralność obróbki powierzchniowej zapobiegającej defektom.
Zespół przetestował wytrzymałość swoich ogniw słonecznych w laboratorium w warunkach przyspieszonego starzenia i całodobowego oświetlenia zaprojektowanego tak, aby naśladować światło słoneczne. Ogniwom udało się zachować 87% ich pierwotnej wydajności konwersji światła słonecznego na energię elektryczną przez ponad 2000 godzin. Dla porównania, ogniwa słoneczne wyprodukowane bez naprawy spadły do 65% swojej pierwotnej wydajności po testach w tym samym czasie i w tych samych warunkach.
„Nasze perowskitowe ogniwa słoneczne są jednymi z najbardziej stabilnych pod względem wydajności zgłoszonych do tej pory” – powiedział Tan. „W tym samym czasie położyliśmy również nową podstawową wiedzę, na podstawie której społeczność może dalej rozwijać i udoskonalać naszą wszechstronną technikę projektowania jeszcze bardziej stabilnych perowskitowych ogniw słonecznych”.
Inni korespondenci w artykule to Rui Wang, adiunkt inżynierii na Uniwersytecie Westlake w Hangzhou w Chinach; oraz Jin-Wook Lee, adiunkt inżynierii na Uniwersytecie Sungkyunkwan w Suwon w Korei Południowej. Zarówno Wang, jak i Lee są poprzednimi badaczami podoktoranckimi UCLA, którym doradzał Yang.
Naukowcy z UC Irvine; Uniwersytet Marmara, Turcja; oraz Narodowy Uniwersytet Yang Ming Chiao Tung na Tajwanie również przyczynił się do powstania artykułu.
Badania były wspierane przez Biuro ds. Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej Departamentu Energii USA.