Πηγή: oist.jp
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Μεταπτυχιακών Επιστημών και Τεχνολογίας του Οκινάουα (OIST) έχουν δημιουργήσει ηλιακές μονάδες επόμενης γενιάς με υψηλή απόδοση και καλή σταθερότητα. Κατασκευασμένα χρησιμοποιώντας έναν τύπο υλικού που ονομάζεται perovskites, αυτές οι ηλιακές μονάδες μπορούν να διατηρήσουν υψηλή απόδοση για πάνω από 2000 ώρες. Τα ευρήματά τους, που αναφέρθηκαν στις 20 Ιουλίου 2020 στο κορυφαίο περιοδικό, Nature Energy, έχουν αυξήσει τις προοπτικές εμπορίας.
Οι Perovskites έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στη βιομηχανία της ηλιακής τεχνολογίας. Ευέλικτα και ελαφριά, υπόσχονται μεγαλύτερη ευελιξία από τα βαριά και άκαμπτα κύτταρα με βάση το πυρίτιο που κυριαρχούν σήμερα στην αγορά. Όμως, οι επιστήμονες πρέπει να ξεπεράσουν ορισμένα μεγάλα εμπόδια προτού μπορέσουν να εμπορευματοποιηθούν οι περοβσκίτες.
"Υπάρχουν τρεις προϋποθέσεις που πρέπει να πληρούν οι περοβσκίτες: πρέπει να είναι φθηνές στην παραγωγή, πολύ αποδοτικές και να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής", δήλωσε ο καθηγητής Yabing Qi, επικεφαλής του OISTΕνότητα Ενεργειακών Υλικών και Επιστημών Επιφανειών, ο οποίος ηγήθηκε αυτής της μελέτης.
Μια επίδειξη ενός ηλιακού κυττάρου Perovskite
Το κόστος παραγωγής ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη είναι χαμηλό, καθώς οι φθηνές πρώτες ύλες απαιτούν λίγη ενέργεια για την επεξεργασία. Και σε λίγο περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες έχουν κάνει τεράστια βήματα για να βελτιώσουν πόσο αποτελεσματικά τα ηλιακά κύτταρα του περοβσκίτη μετατρέπουν το ηλιακό φως σε ηλεκτρικό ρεύμα, με επίπεδα απόδοσης που είναι τώρα συγκρίσιμα με αυτά των κυττάρων με βάση το πυρίτιο.
Ωστόσο, μόλις κλιμακωθεί από μικροσκοπικά ηλιακά κύτταρα σε μεγαλύτερες ηλιακές μονάδες, τα επίπεδα απόδοσης των περοβσκίτων πέφτουν. Αυτό είναι προβληματικό καθώς η εμπορική ηλιακή τεχνολογία πρέπει να παραμείνει αποτελεσματική στο μέγεθος των ηλιακών συλλεκτών, μήκους αρκετών ποδιών.
«Η αναβάθμιση είναι πολύ απαιτητική. τυχόν ελαττώματα στο υλικό γίνονται πιο έντονα, οπότε χρειάζεστε υλικά υψηλής ποιότητας και καλύτερες τεχνικές κατασκευής », εξήγησε ο Dr. Luis Ono, συν-συγγραφέας αυτής της μελέτης.
(Αριστερά) Η μονάδα OIST Energy Materials and Surface Sciences λειτουργεί με ηλιακά κύτταρα και μονάδες διαφορετικού μεγέθους. (Δεξιά) Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες συνεργάστηκαν με ηλιακές μονάδες 5 cm x 5 cm.
Η αστάθεια των περοβσκίτων είναι ένα άλλο βασικό ζήτημα υπό έντονη έρευνα. Τα εμπορικά ηλιακά κύτταρα πρέπει να είναι σε θέση να αντέχουν χρόνια λειτουργίας, αλλά επί του παρόντος τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη υποβαθμίζονται γρήγορα.
Δημιουργία στρώσεων
Η ομάδα του καθηγητή Qi, υποστηριζόμενη από το πρόγραμμα Proof-of-Concept του OIST Technology Development and Innovation Center, αντιμετώπισε αυτά τα ζητήματα σταθερότητας και αποτελεσματικότητας χρησιμοποιώντας μια νέα προσέγγιση. Οι ηλιακές συσκευές Perovskite αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα - το καθένα με συγκεκριμένη λειτουργία. Αντί να εστιάζουν σε ένα μόνο επίπεδο, εξέτασαν τη συνολική απόδοση της συσκευής και τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα επίπεδα μεταξύ τους.
Το ενεργό στρώμα περοβσκίτη, το οποίο απορροφά το φως του ήλιου, βρίσκεται στο κέντρο της συσκευής, ανάμεσα στα άλλα στρώματα. Όταν τα φωτόνια του φωτός χτυπούν το στρώμα του περοβσκίτη, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια αξιοποιούν αυτήν την ενέργεια και «πηδούν» σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, αφήνοντας πίσω τους θετικά φορτισμένες «τρύπες» όπου ήταν τα ηλεκτρόνια. Αυτά τα φορτία στη συνέχεια εκτρέπονται σε αντίθετες κατευθύνσεις σε στρώματα μεταφοράς ηλεκτρονίων και οπών πάνω και κάτω από το ενεργό στρώμα. Αυτό δημιουργεί μια ροή φόρτισης - ή ηλεκτρικής ενέργειας - που μπορεί να εγκαταλείψει την ηλιακή συσκευή μέσω ηλεκτροδίων. Η συσκευή ενσωματώνεται επίσης από ένα προστατευτικό στρώμα που μειώνει την υποβάθμιση και αποτρέπει τη διαρροή τοξικών χημικών στο περιβάλλον.
Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite και οι μονάδες αποτελούνται από πολλά στρώματα, καθένα από τα οποία έχει μια συγκεκριμένη λειτουργία. Οι επιστήμονες πρόσθεσαν ή τροποποίησαν τα επίπεδα που επισημαίνονται με πορτοκαλί χρώμα.
Στη μελέτη, οι επιστήμονες συνεργάστηκαν με ηλιακές μονάδες 22,4 cm2.
Οι επιστήμονες βελτίωσαν πρώτα τη διεπαφή μεταξύ του ενεργού στρώματος περοβσκίτη και του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων, προσθέτοντας μια χημική ουσία που ονομάζεται EDTAK μεταξύ των δύο στρωμάτων. Διαπίστωσαν ότι η EDTAK εμπόδισε το στρώμα μεταφοράς ηλεκτρονίων οξειδίου κασσιτέρου να αντιδράσει με το ενεργό στρώμα περοβσκίτη, αυξάνοντας τη σταθερότητα της ηλιακής μονάδας.
Το EDTAK βελτίωσε επίσης την απόδοση της ηλιακής μονάδας περοβσκίτη με δύο διαφορετικούς τρόπους. Πρώτον, το κάλιο στο EDTAK μετακινήθηκε στο ενεργό στρώμα περοβσκίτη και «επουλώθηκε» μικροσκοπικά ελαττώματα στην επιφάνεια του περοβσκίτη. Αυτό εμπόδισε αυτά τα ελαττώματα να παγιδεύσουν τα κινούμενα ηλεκτρόνια και τις οπές, επιτρέποντας την παραγωγή περισσότερης ηλεκτρικής ενέργειας. Το EDTAK αύξησε επίσης την απόδοση ενισχύοντας τις αγώγιμες ιδιότητες του στρώματος μεταφοράς ηλεκτρονίων οξειδίου κασσιτέρου, διευκολύνοντας τη συλλογή ηλεκτρονίων από το στρώμα περοβσκίτη.
Οι επιστήμονες πραγματοποίησαν παρόμοιες βελτιώσεις στη διεπαφή μεταξύ του ενεργού στρώματος περοβσκίτη και του στρώματος μεταφοράς οπών. Αυτή τη φορά, πρόσθεσαν έναν τύπο περοβσκίτη που ονομάζεται EAMA μεταξύ των στρωμάτων, ο οποίος ενίσχυσε την ικανότητα του στρώματος μεταφοράς οπών να δέχεται τρύπες.
Η συσκευή που υπέστη επεξεργασία με EAMA έδειξε επίσης καλύτερη σταθερότητα υπό δοκιμές υγρασίας και θερμοκρασίας. Αυτό οφείλεται στον τρόπο με τον οποίο το EAMA αλληλεπίδρασε με την επιφάνεια του ενεργού στρώματος περοβσκίτη, το οποίο είναι ένα μωσαϊκό κρυστάλλων κόκκων. Σε ηλιακές συσκευές χωρίς EAMA, οι επιστήμονες είδαν ότι σχηματίστηκαν ρωγμές στην επιφάνεια του ενεργού στρώματος, οι οποίες προέρχονταν από τα όρια μεταξύ αυτών των κόκκων. Όταν οι επιστήμονες πρόσθεσαν το EAMA, παρατήρησαν ότι το πρόσθετο υλικό υπεροβσκίτη γέμισε τα όρια των κόκκων και σταμάτησε την είσοδο υγρασίας, εμποδίζοντας το σχηματισμό αυτών των ρωγμών.
Η ομάδα τροποποίησε επίσης το ίδιο το στρώμα μεταφοράς οπών, αναμειγνύοντας σε μια μικρή ποσότητα πολυμερούς που ονομάζεται PH3T. Αυτό το πολυμερές ενίσχυσε την αντοχή στην υγρασία παρέχοντας στο στρώμα ιδιότητες απωθητικής του νερού.
Το πολυμερές έλυσε επίσης ένα σημαντικό ζήτημα που παρεμποδίζει στο παρελθόν βελτιώσεις στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Το ηλεκτρόδιο πάνω από την ηλιακή μονάδα περοβσκίτη σχηματίζεται από λεπτές λωρίδες χρυσού. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, μικροσκοπικά σωματίδια χρυσού μεταναστεύουν από το ηλεκτρόδιο, μέσω του στρώματος μεταφοράς οπών και στο ενεργό στρώμα περοβσκίτη. Αυτό μειώνει ανεπανόρθωτα την απόδοση της συσκευής.
Όταν οι ερευνητές ενσωμάτωσαν το PH3T, διαπίστωσαν ότι τα σωματίδια χρυσού μετανάστευσαν στη συσκευή πιο αργά, γεγονός που αύξησε σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μονάδας.
Για την τελική τους βελτίωση, οι επιστήμονες πρόσθεσαν ένα λεπτό στρώμα του πολυμερούς, το παρυλένιο, εκτός από το γυαλί, για να παρέχουν μια προστατευτική επικάλυψη στην ηλιακή μονάδα. Με αυτήν την πρόσθετη προστασία, οι ηλιακές μονάδες διατήρησαν περίπου το 86% της αρχικής απόδοσής τους, ακόμη και μετά από 2000 ώρες συνεχούς φωτισμού.
Σε συνεργασία με τον Dr. Said Kazaoui στο Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένων Βιομηχανικών Επιστημών και Τεχνολογίας (AIST), η ομάδα του OIST δοκίμασε τις βελτιωμένες ηλιακές μονάδες και απέκτησε απόδοση 16,6% - μια πολύ υψηλή απόδοση για μια ηλιακή μονάδα αυτού του μεγέθους. Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να πραγματοποιήσουν αυτές τις τροποποιήσεις σε μεγαλύτερες ηλιακές μονάδες, οδηγώντας το δρόμο προς την ανάπτυξη μεγάλης κλίμακας, εμπορικής τεχνολογίας ηλιακής ενέργειας στο μέλλον.
