Vir: oist.jp
Raziskovalci z Akademije za naravoslovno inštitut iz Okinawe (OIST) so ustvarili sončne module naslednje generacije z visoko učinkovitostjo in dobro stabilnostjo. Ti sončni moduli, izdelani z uporabo vrste materiala, imenovanega perovskites, lahko ohranjajo visoko zmogljivost več kot 2000 ur. Njihove ugotovitve, objavljene 20. julija 2020 v vodilni reviji Nature Energy, so povečale možnosti komercializacije.
Perovskiti imajo potencial za revolucijo v industriji sončne tehnologije. Prilagodljive in lahke obljubljajo večjo uporabnost kot težke in toge celice na osnovi silicija, ki trenutno prevladujejo na trgu. Vendar morajo znanstveniki premagati nekaj večjih ovir, preden se perovskiti lahko tržijo.
"Obstajajo trije pogoji, ki jih morajo izpolnjevati perovskiti: morajo biti poceni za proizvodnjo, visoko učinkoviti in imeti dolgo življenjsko dobo," je dejal profesor Yabing Qi, vodja OISTEnota za energetske materiale in površinske znanosti, ki je vodil to študijo.
Demonstracija sončne celice Perovskite
Stroški izdelave sončnih celic iz perovskita so nizki, saj poceni surovine za obdelavo potrebujejo malo energije. In v nekaj več kot desetletju so znanstveniki naredili velike korake pri izboljšanju učinkovitosti perovskitnih sončnih celic, ki sončno svetlobo pretvorijo v električno energijo, pri čemer so stopnje učinkovitosti zdaj primerljive z ravnmi celic na osnovi silicija.
Vendar, ko se enkrat poveča od drobnih sončnih celic do večjih solarnih modulov, so stopnje učinkovitosti perovskitov upadle. To je problematično, saj mora komercialna sončna tehnologija ostati učinkovita pri velikosti sončnih plošč, dolgih nekaj čevljev.
„Povečanje obsega je zelo zahtevno; vse pomanjkljivosti materiala postanejo bolj izrazite, zato potrebujete kakovostne materiale in boljše tehnike izdelave, "je pojasnil dr. Luis Ono, soavtor te študije.
(Levo) Enota za energetske materiale in površinske znanosti OIST deluje s sončnimi celicami in moduli različnih velikosti. (Desno) V tej raziskavi so znanstveniki delali s sončnimi moduli velikosti 5 cm x 5 cm.
Nestabilnost perovskitov je drugo ključno vprašanje v intenzivnih preiskavah. Komercialne sončne celice morajo biti sposobne vzdržati leta delovanja, vendar trenutno perovskite sončne celice hitro razpadajo.
Gradnja plasti
Ekipa profesorja Qija, podprta s programom za preverjanje koncepcije tehnološkega razvojnega in inovacijskega centra OIST, je obravnavala ta vprašanja stabilnosti in učinkovitosti z novim pristopom. Sončne naprave Perovskite so sestavljene iz več plasti - vsaka ima določeno funkcijo. Namesto da bi se osredotočili na samo en sloj, so si ogledali celotno zmogljivost naprave in način, kako plasti medsebojno vplivajo.
V središču naprave leži aktivna perovskitna plast, ki absorbira sončno svetlobo, med drugimi sloji. Ko fotoni svetlobe udarijo v plast perovskita, negativno nabiti elektroni izkoristijo to energijo in "skočijo" na višjo energijsko raven, za seboj puščajo pozitivno nabiti "luknje", kjer so bili nekoč elektroni. Ti naboji se nato preusmerijo v nasprotnih smereh v plast prenosa elektronov in lukenj nad in pod aktivno plastjo. To ustvarja pretok - ali elektriko -, ki lahko sončno napravo zapusti prek elektrod. Napravo je obdala tudi zaščitna plast, ki zmanjšuje razgradnjo in preprečuje, da bi strupene kemikalije uhajale v okolje.
Perovskite sončne celice in moduli so sestavljeni iz številnih plasti, od katerih ima vsaka določeno funkcijo. Znanstveniki so dodali ali spreminjali plasti, poudarjene v oranžni barvi.
V raziskavi so znanstveniki delali s sončnimi moduli, ki so znašali 22,4 cm2.
Znanstveniki so najprej izboljšali vmesnik med aktivnim slojem perovskita in plastjo prenosa elektronov, tako da sta med obema slojema dodali kemikalijo z imenom EDTAK. Ugotovili so, da je EDTAK preprečil, da bi plast prenosa elektronov kositra oksida reagirala z aktivnim slojem perovskita, kar je povečalo stabilnost sončnega modula.
EDTAK je tudi izboljšal učinkovitost sončnega modula perovskit na dva različna načina. Prvič, kalij v EDTAK-u se je preselil v aktivno perovskitno plast in "ozdravil" drobne napake na površini perovskita. To je preprečilo, da bi te pomanjkljivosti ujele gibajoče se elektrone in luknje ter omogočile več električne energije. EDTAK je tudi izboljšal zmogljivosti, saj je izboljšal prevodne lastnosti elektronskega transportnega sloja kositra oksida in olajšal zbiranje elektronov iz perovskitne plasti.
Znanstveniki so podobno izboljšali vmesnik med aktivnim slojem perovskita in plastjo za prevoz lukenj. Tokrat so med plastmi dodali vrsto perovskita, imenovanega EAMA, kar je povečalo sposobnost, da transportni sloj luknje sprejema luknje.
Naprava, obdelana z EAMA, je pokazala tudi boljšo stabilnost pri preskusih vlažnosti in temperature. To je bilo posledica tega, kako je EAMA vplivala na površino aktivne plasti perovskita, ki je mozaik kristalnih zrn. Na sončnih napravah brez EAMA so znanstveniki videli, da se na površini aktivne plasti tvorijo razpoke, ki izvirajo iz meja med temi zrni. Ko so znanstveniki dodali EAMA, so opazili, da dodatni perovskitni material napolni meje zrn in prepreči vdor vlage, kar preprečuje, da bi se te razpoke oblikovale.
Skupina je tudi sama spremenila plast za transport lukenj, tako da je pomešala majhno količino polimera, imenovanega PH3T. Ta polimer je povečal odpornost na vlago, tako da je sloju zagotovil vodoodbojne lastnosti.
Polimer je rešil tudi veliko težavo, ki je prej ovirala izboljšave dolgoročne stabilnosti. Elektroda na vrhu sončnega modula perovskita je oblikovana iz tankih zlatih trakov. Toda sčasoma drobni zlati delci migrirajo iz elektrode, skozi plast za transport lukenj in v aktivno plast perovskita. To nepovratno poslabša delovanje naprave.
Ko so raziskovalci vključili PH3T, so ugotovili, da se zlati delci mikajo v napravo počasneje, kar je znatno povečalo življenjsko dobo modula.
Za njihovo dokončno izboljšanje so znanstveniki poleg stekla dodali tanko plast polimera, parilena, da so sončnemu modulu zagotovili zaščitno prevleko. S to dodatno zaščito so sončni moduli ohranili približno 86% svojih začetnih zmogljivosti, tudi po 2000 urah stalne osvetlitve.
Skupina OIST je v sodelovanju z dr. Saidom Kazaouijem na Nacionalnem inštitutu za napredne industrijske znanosti in tehnologije (AIST) preizkusila izboljšane sončne module in dosegla 16,6-odstotni izkoristek - zelo visok izkoristek solarnega modula take velikosti. Zdaj si raziskovalci prizadevajo, da bi te modifikacije izvedli na večjih solarnih modulih, kar bo vodilo v smeri razvoja obsežne komercialne sončne tehnologije v prihodnosti.
