Zdroj: sciencedaily
Výskumný pracovník spoločnosti Georgia Tech vlastní perovskitovú solárnu bunku, ktorá je flexibilná a ľahšia ako verzie na báze kremíka.
Kredit: Rob Felt, Georgia Tech
Je tu veľa, ako sa páčiť na perovskite-založené solárne články. Sú jednoduché a lacné na výrobu, ponúkajú flexibilitu, ktorá by mohla odblokovať širokú škálu inštalačných metód a miest a v posledných rokoch dosiahla energetickú účinnosť blížiacu sa k tradičným kremíkovým bunkám.
Ale zisťovanie, ako vyrábať energetické zariadenia založené na perovskite, ktoré trvajú dlhšie ako pár mesiacov, bolo výzva.
Teraz výskumníci z Technologického inštitútu v Gruzínsku, Kalifornskej univerzity v San Diegu a Technologického inštitútu Massachusetts oznámili nové zistenia o perovskitových solárnych článkoch, ktoré by mohli viesť cestu k zariadeniam, ktoré majú lepšie výsledky.
"Perovskitové solárne články ponúkajú veľa potenciálnych výhod, pretože sú extrémne ľahké a môžu byť vyrobené z pružných plastových podkladov," povedal Juan-Pablo Correa-Baena, odborný asistent na Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Aby boli konkurencieschopné na trhu s solárnymi článkami na báze kremíka, musia byť efektívnejšie."
V štúdii, ktorá bola publikovaná 8. februára v časopise Science a bola sponzorovaná americkým ministerstvom pre energetiku a národnou vedeckou nadáciou, výskumníci podrobnejšie opísali mechanizmy, ako pridávanie alkalických kovov k tradičným perovskitom vedie k lepšiemu výkonu.
"Perovskites by naozaj mohli zmeniť hru na solárne," povedal David Fenning, profesor nanoinžinierstva na Kalifornskej univerzite v San Diegu. "Majú potenciál na zníženie nákladov bez toho, aby sa vzdali výkonnosti, ale na týchto materiáloch sa stále veľa veľa naučiť."
K pochopeniu kryštálov perovskitu je užitočné premýšľať nad jeho kryštalickou štruktúrou ako triadou. Jedna časť triády je zvyčajne vytvorená z prvku vedenia. Druhá zvyčajne je tvorená organickou zložkou, ako je napríklad metylamónium, a tretia je často zložená z iných halogenidov, ako je bróm a jód.
V posledných rokoch sa vedci zamerali na testovanie rôznych receptov na dosiahnutie lepšej účinnosti, ako je pridanie jódu a brómu k hlavnej zložke štruktúry. Neskôr sa pokúšali nahradiť cézium a rubidium do časti perovskitu, ktorá je zvyčajne obsadená organickými molekulami.
"Z predchádzajúcich prác sme vedeli, že pridanie cézia a rubidia k zmiešanému perovskitu z brómu a jódu vedie k lepšej stabilite a vyššej výkonnosti," povedala Correa-Baena.
Ale bolo málo známe, prečo pridanie týchto alkalických kovov zlepšilo výkonnosť perovskitov.
Ak chcete presne pochopiť, prečo to fungovalo, výskumníci použili vysoko-intenzívne RTG mapovanie na preskúmanie perovskitov na nanometri.
"Pri pohľade na kompozíciu v rámci perovskitového materiálu môžeme vidieť, ako každý jednotlivý prvok zohráva úlohu pri zlepšovaní výkonu zariadenia," povedal Yanqi (Grace) Luo, nanoengineering doktorand na UC San Diego.
Zistili, že keď sa cesium a rubidium pridávajú do zmiešaného perovskitu brómu a jódu, spôsobuje to, že sa bróm a jód miešajú spoločne viac homogénne, čo vedie k vyššej účinnosti o 2% vyššej účinnosti ako materiály bez týchto prísad.
"Zistili sme, že jednotnosť v chémii a štruktúra je to, čo pomáha perovskitovej solárnej bunke fungovať naplno," povedal Fenning. "Akákoľvek heterogénnosť v tejto chrbtici je ako slabý článok v reťazci."
Napriek tomu vedci tiež poznamenali, že pri pridávaní rubídia alebo cézia spôsobilo, že bróm a jód sa stali homogénnejšími, samotné halidy kovov v ich vlastnom katexu zostali celkom zoskupené a vytvárali neaktívne "mŕtve zóny" v solárnych článkoch, ktoré nevytvárajú prúd.
"To bolo prekvapujúce," povedal Fenning. "Keď tieto mŕtve zóny zvyčajne zabíjajú solárne články, v iných materiáloch pôsobia ako čierne diery, ktoré nasávajú elektróny z iných oblastí a nikdy ich nechávajú ísť, takže stratíte prúd a napätie.
"Ale v týchto perovskitoch sme zistili, že mŕtve zóny okolo rubídia a cézia neboli príliš škodlivé pre výkon solárnych článkov, aj keď došlo k nejakej súčasnej strate," povedal Fenning. "To poukazuje na to, ako robustné sú tieto materiály, ale aj to, že je ešte viac príležitostí na zlepšenie."
Zistenia prispievajú k pochopeniu toho, ako zariadenia založené na perovskite pracujú na nanometrovej úrovni a mohli by položiť základy pre budúce zlepšenia.
"Tieto materiály sľubujú, že budú veľmi nákladovo efektívne a vysoko výkonné, čo je v podstate to, čo potrebujeme na to, aby sme sa uistili, že fotovoltaické panely sú široko rozmiestnené," povedal Correa-Baena. "Chceme sa pokúsiť kompenzovať otázky klimatických zmien, takže myšlienkou je mať fotovoltaické články, ktoré sú čo najlacnejšie."
