Sursa: oist.jp
Cercetătorii de la Institutul de Știință și Tehnologie din Okinawa (OIST) au creat module solare de generație viitoare, cu eficiență ridicată și stabilitate bună. Realizate folosind un tip de material numit perovskite, aceste module solare pot menține performanțe ridicate pentru peste 2000 de ore. Rezultatele lor, raportate pe 20 iulie 2020 în jurnalul principal, Nature Energy, au sporit perspectivele de comercializare.
Perovskitele au potențialul de a revoluționa industria tehnologiei solare. Flexibile și ușoare, promit mai multă versatilitate decât celulele grele și rigide pe bază de siliciu care domină în prezent piața. Dar oamenii de știință trebuie să depășească unele obstacole majore înainte ca perovskitele să poată fi comercializate.
"Există trei condiții pe care trebuie să le îndeplinească perovskitele: trebuie să fie ieftine pentru a produce, foarte eficiente și să aibă o viață lungă", a spus profesorul Yabing Qi, șeful OISTUnitatea de Materiale Energetice și Științele Suprafeței, care a condus acest studiu.
O demonstrație a unei celule solare Perovskite
Costul fabricării celulelor solare perovskite este redus, deoarece materiile prime ieftine necesită puțină energie pentru procesare. Și în puțin mai bine de un deceniu, oamenii de știință au făcut progrese uriașe în îmbunătățirea modului în care celulele solare perovskite eficiente convertesc lumina solară în energie electrică, nivelurile de eficiență fiind acum comparabile cu cele ale celulelor pe bază de siliciu.
Cu toate acestea, odată extinsă de la celulele solare minuscule la module solare mai mari, nivelurile de eficiență ale perovskitelor se micșorează. Acest lucru este problematic, deoarece tehnologia solară comercială trebuie să rămână eficientă la dimensiunea panourilor solare, cu o lungime de câțiva metri.
„Ameliorarea este foarte solicitantă; orice defect al materialului devine mai accentuat, astfel încât aveți nevoie de materiale de înaltă calitate și tehnici de fabricare mai bune ”, a explicat dr. Luis Ono, coautor al acestui studiu.
(Stânga) Unitatea de științe energetice și suprafețe OIST funcționează cu celule solare și module de dimensiuni diferite. (Dreapta) În acest studiu, oamenii de știință au lucrat cu module solare de 5 cm x 5 cm.
Instabilitatea perovskitelor este o altă problemă cheie în cadrul unei investigații intense. Celulele solare comerciale trebuie să reziste ani de funcționare, dar celulele solare perovskite în prezent se degradează rapid.
Construirea straturilor
Echipa profesorului Qi, susținută de Programul Proof-Concept al Centrului de Dezvoltare Tehnologică și Inovare OIST, a abordat aceste probleme de stabilitate și eficiență folosind o nouă abordare. Dispozitivele solare Perovskite sunt formate din mai multe straturi - fiecare având o funcție specifică. În loc să se concentreze pe un singur strat, ei au analizat performanțele generale ale dispozitivului și modul în care straturile interacționează unul cu celălalt.
Stratul activ de perovskit, care absoarbe lumina soarelui, se află în centrul dispozitivului, întreprins între celelalte straturi. Când fotonii de lumină lovesc stratul de perovskit, electronii încărcați negativ utilizează această energie și „sari” la un nivel de energie mai mare, lăsând în urmă „găuri” încărcate pozitiv unde se aflau electronii. Aceste sarcini sunt apoi deviate în direcții opuse în straturi de transport de electroni și găuri deasupra și sub stratul activ. Acest lucru creează un flux de încărcare - sau electricitate - care poate părăsi dispozitivul solar prin electrozi. Dispozitivul este de asemenea încapsulat de un strat protector care reduce degradarea și împiedică scurgerea substanțelor chimice toxice în mediu.
Celulele și modulele solare Perovskite sunt formate din mai multe straturi, fiecare având o funcție specifică. Oamenii de știință au adăugat sau modificat straturile evidențiate în portocaliu.
În cadrul studiului, oamenii de știință au lucrat cu module solare care au fost 22,4 cm2.
Oamenii de știință au îmbunătățit mai întâi interfața dintre stratul activ perovskit și stratul de transport de electroni, prin adăugarea unei substanțe chimice numită EDTAK între cele două straturi. Ei au descoperit că EDTAK a împiedicat stratul de transport de electroni cu oxid de staniu să reacționeze cu stratul activ perovskit, crescând stabilitatea modulului solar.
De asemenea, EDTAK a îmbunătățit eficiența modulului solar perovskit în două moduri diferite. În primul rând, potasiul din EDTAK s-a mutat în stratul perovskit activ și a „vindecat” defectele minuscule de pe suprafața perovskitului. Acest lucru a împiedicat aceste defecte să capteze electronii și găurile în mișcare, permițând generarea de mai multă energie electrică. EDTAK a crescut de asemenea performanțele prin îmbunătățirea proprietăților conductoare ale stratului de transport de electroni cu oxid de staniu, ceea ce face mai ușoară colectarea electronilor din stratul de perovskit.
Oamenii de știință au adus îmbunătățiri similare interfeței dintre stratul activ perovskit și stratul de transport al găurilor. De data aceasta, au adăugat un tip de perovskit numit EAMA între straturi, ceea ce sporea capacitatea ca stratul de transport a găurilor să primească găuri.
Dispozitivul tratat cu EAMA a arătat, de asemenea, o stabilitate mai bună la testele de umiditate și temperatură. Acest lucru s-a datorat modului în care EAMA a interacționat cu suprafața stratului activ perovskit, care este un mozaic de boabe de cristal. În dispozitivele solare fără EAMA, oamenii de știință au văzut că se formează fisuri pe suprafața stratului activ, care provin din limitele dintre aceste boabe. Când oamenii de știință au adăugat EAMA, au observat că materialul perovskit suplimentar a umplut limitele boabelor și a oprit să intre umiditatea, împiedicând formarea acestor fisuri.
De asemenea, echipa a modificat însuși stratul de transport al găurilor, amestecând într-o cantitate mică de polimer numit PH3T. Acest polimer a sporit rezistența la umiditate, oferind stratului proprietăți hidrofugante.
De asemenea, polimerul a rezolvat o problemă majoră care anterior a împiedicat îmbunătățirea stabilității pe termen lung. Electrodul de deasupra modulului solar perovskit este format din benzi subțiri de aur. Însă, în timp, particule minuscule de aur migrează din electrod, prin stratul de transport al găurilor și în stratul perovskit activ. Acest lucru afectează ireversibil performanța dispozitivului.
Când cercetătorii au încorporat PH3T, au descoperit că particulele de aur au migrat mai lent în dispozitiv, ceea ce a crescut semnificativ durata de viață a modulului.
Pentru îmbunătățirea lor finală, oamenii de știință au adăugat un strat subțire de polimer, parylene, pe lângă sticlă, pentru a oferi un strat de protecție pentru modulul solar. Cu această protecție adăugată, modulele solare au menținut aproximativ 86% din performanțele lor inițiale, chiar și după 2000 de ore de iluminare constantă.
În colaborare cu Dr. Said Kazaoui de la Institutul Național de Științe și Tehnologie Industriale Avansate (AIST), echipa OIST a testat modulele solare îmbunătățite și a obținut o eficiență de 16,6% - o eficiență foarte ridicată pentru un modul solar de această dimensiune. Cercetătorii urmăresc acum să efectueze aceste modificări pe module solare mai mari, conducând pe viitor spre dezvoltarea tehnologiei solare comerciale pe scară largă.
