Vedci zvyšujú stabilitu a účinnosť solárnej technológie novej generácie

Zdroj: oist.jp

Vedci z Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) vytvorili solárne moduly novej generácie s vysokou účinnosťou a dobrou stabilitou. Tieto solárne moduly, vyrobené z materiálu, ktorý sa nazýva perovskity, si môžu udržať vysoký výkon viac ako 2000 hodín. Ich zistenia, zverejnené 20. júla 2020 v poprednom časopise Nature Energy, zvýraznili vyhliadky na komercializáciu.

Perovskity majú potenciál revolúciu v priemysle solárnych technológií. Flexibilné a ľahké, sľubujú väčšiu univerzálnosť ako ťažké a pevné bunky na báze kremíka, ktoré v súčasnosti dominujú na trhu. Predtým, ako môžu byť perovskity komercionalizované, musia však vedci prekonať niektoré veľké prekážky.

"Existujú tri podmienky, ktoré musia perovskity spĺňať: musia byť lacné na výrobu, musia byť vysoko efektívne a musia mať dlhú životnosť," uviedol profesor Yabing Qi, vedúci OIST.Oddelenie energetických materiálov a povrchových vied, ktorý viedol túto štúdiu.

Ukážka solárneho článku v Perovskite

Náklady na výrobu solárnych článkov perovskitu sú nízke, pretože lacné suroviny vyžadujú na spracovanie málo energie. A za niečo viac ako desať rokov vedci urobili obrovský pokrok v zlepšovaní toho, ako efektívne perovskitové solárne články prevádzajú slnečné svetlo na elektrickú energiu, pričom úroveň účinnosti je teraz porovnateľná s úrovňou buniek na báze kremíka.

Po rozšírení z malých solárnych článkov na väčšie solárne moduly sa však úroveň účinnosti perovskitov prepadne. Je to problematické, pretože komerčná solárna technológia musí zostať účinná pri veľkosti solárnych panelov dlhých niekoľko stôp.

„Rozšírenie je veľmi náročné; akékoľvek chyby v materiáli sú výraznejšie, takže potrebujete kvalitné materiály a lepšie výrobné postupy, “vysvetlil Dr. Luis Ono, spoluautor tejto štúdie.

Nestabilita perovskitov je ďalším kľúčovým problémom v rámci intenzívneho vyšetrovania. Komerčné solárne články musia byť schopné vydržať roky prevádzky, ale v súčasnosti sa solárne články perovskitu rýchlo rozkladajú.

Budovanie vrstiev

Tím profesora Qi, podporovaný programom Proof of Concept konceptu OIST pre technologický rozvoj a inovácie, sa týmito otázkami stability a efektívnosti zaoberal novým prístupom. Solárne zariadenia perovskitu sa skladajú z viacerých vrstiev - každá so špecifickou funkciou. Namiesto toho, aby sa zameriavali iba na jednu vrstvu, pozreli sa na celkový výkon zariadenia a na vzájomné pôsobenie vrstiev.

Aktívna perovskitová vrstva, ktorá absorbuje slnečné svetlo, leží v strede zariadenia, vložená medzi ostatné vrstvy. Keď fotóny svetla dopadnú na perovskitovú vrstvu, záporne nabité elektróny využijú túto energiu a „skočia“ na vyššiu úroveň energie, pričom zanechajú pozvoľne nabité „diery“, v ktorých bývali elektróny. Tieto náboje sa potom presmerujú opačnými smermi do elektrónových a vrstiev transportných vrstiev nad a pod aktívnu vrstvu. To vytvára tok náboja - alebo elektriny -, ktorý môže opustiť solárne zariadenie cez elektródy. Zariadenie je tiež zapuzdrené ochrannou vrstvou, ktorá znižuje degradáciu a zabraňuje úniku toxických chemikálií do životného prostredia.

V štúdii vedci pracovali so solárnymi modulmi, ktoré boli 22,4 cm2.

Vedci najprv vylepšili rozhranie medzi aktívnou vrstvou perovskitu a vrstvou prenosu elektrónov pridaním chemikálie nazývanej EDTAK medzi tieto dve vrstvy. Zistili, že EDTAK zabránila reakcii elektrónovej transportnej vrstvy oxidu cínu s perovskitovou aktívnou vrstvou, čím sa zvýšila stabilita solárneho modulu.

EDTAK tiež zlepšila účinnosť solárneho modulu perovskitu dvoma rôznymi spôsobmi. Najprv sa draslík v EDTAK presunul do aktívnej perovskitovej vrstvy a „zahojil“ drobné defekty na povrchu perovskitu. To zabránilo týmto poruchám v zachytávaní pohybujúcich sa elektrónov a dier, čo umožnilo generovať viac elektriny. EDTAK tiež zvýšil výkon zvýšením vodivých vlastností transportnej vrstvy elektrónového oxidu cínu, čo uľahčuje zber elektrónov z perovskitovej vrstvy.

Vedci urobili podobné vylepšenia rozhrania medzi aktívnou vrstvou perovskitu a transportnou vrstvou. Tentoraz pridali medzi vrstvy typ perovskitu zvaný EAMA, čo zlepšilo schopnosť vrstvy transportu otvorov prijímať otvory.

Zariadenie ošetrené EAMA tiež vykazovalo lepšiu stabilitu pri testoch vlhkosti a teploty. Bolo to kvôli tomu, ako EAMA interagovala s povrchom aktívnej vrstvy perovskitu, čo je mozaika zŕn kryštálov. V solárnych zariadeniach bez EAMA vedci videli, že na povrchu aktívnej vrstvy sa vytvorili trhliny, ktoré pochádzajú z hraníc medzi týmito zrnami. Keď vedci pridali EAMA, zistili, že ďalší perovskitový materiál vyplnil hranice zŕn a zabránil vnikaniu vlhkosti, čím zabránil tvorbe týchto trhlín.

Tím tiež modifikoval samotnú transportnú vrstvu otvorov zmiešaním malého množstva polyméru nazývaného PH3T. Tento polymér zvýšil odolnosť proti vlhkosti tým, že poskytol vrstve vlastnosti odpudzujúce vodu.

Polymér tiež vyriešil hlavný problém, ktorý predtým bránil zlepšeniu dlhodobej stability. Elektróda na vrchole solárneho modulu perovskitu je vytvorená z tenkých prúžkov zlata. V priebehu času však malé častice zlata migrujú z elektródy, cez transportnú vrstvu do aktívnej perovskitovej vrstvy. To nezvratne zhoršuje výkon zariadenia.

Keď vedci začlenili PH3T, zistili, že častice zlata migrovali do zariadenia pomalšie, čo významne zvýšilo životnosť modulu.

Vedci k ich konečnému zlepšeniu pridali okrem skla tenkú vrstvu polyméru, parylénu, aby solárnemu modulu poskytli ochranný povlak. Vďaka tejto dodatočnej ochrane si solárne moduly udržali asi 86% svojho pôvodného výkonu, a to aj po 2 000 hodinách nepretržitého osvetlenia.

V spolupráci s Dr. Saidom Kazaouim z Národného inštitútu pokročilej priemyselnej vedy a techniky (AIST) tím OIST testoval vylepšené solárne moduly a dosiahol účinnosť 16,6% - veľmi vysokú účinnosť solárneho modulu tejto veľkosti. Výskumníci sa teraz usilujú vykonať tieto modifikácie na väčších solárnych moduloch, čo v budúcnosti povedie k vývoju rozsiahlych komerčných solárnych technológií.