Zinātnieki palielina nākamās paaudzes saules tehnoloģiju stabilitāti un efektivitāti

Avots: oist.jp

Okinavas Zinātnes un tehnoloģijas absolventu universitātes (OIST) institūta pētnieki ir izveidojuši nākamās paaudzes saules moduļus ar augstu efektivitāti un labu stabilitāti. Izgatavoti no materiāla veida, ko sauc par perovskītiem, šie saules moduļi var uzturēt augstu veiktspēju vairāk nekā 2000 stundas. Viņu atklājumi, par kuriem ziņots 20. jūlija 2020. gada vadošajā žurnālā Nature Energy, ir izgaismojuši komercializācijas izredzes.

Perovskītiem ir potenciāls veikt revolūciju saules enerģijas nozarē. Elastīgas un vieglas, tās sola daudzpusīgāku nekā pašlaik tirgū dominējošās smagās un stingrās silīcija bāzes šūnas. Bet zinātniekiem jāpārvar daži svarīgi šķēršļi, pirms perovskitus var pārdot.

“Ir trīs nosacījumi, kuriem perovskītiem jāatbilst: tiem jābūt lētiem ražošanai, ļoti efektīviem un ar ilgu kalpošanas laiku,” sacīja OIST vadītājs profesors Yabing QiEnerģētisko materiālu un virsmas zinātnes nodaļa, kurš vadīja šo pētījumu.

Perovskidas saules baterijas demonstrācija

Perovskite saules bateriju izgatavošanas izmaksas ir zemas, jo lētu izejvielu pārstrādei ir nepieciešams maz enerģijas. Un nedaudz vairāk nekā desmit gadu laikā zinātnieki ir paveikuši milzīgus soļus, lai uzlabotu to, cik efektīvi perovskītu saules baterijas pārvērš saules gaismu elektrībā, un efektivitātes līmeņi tagad ir salīdzināmi ar silīcija bāzes elementiem.

Tomēr, reizinot no sīkiem saules elementiem līdz lielākiem saules moduļiem, perovskītu efektivitātes līmeņi strauji pazeminās. Tas ir problemātiski, jo komerciālajai saules tehnoloģijai jāpaliek efektīvai saules paneļu izmēros, kuru garums ir vairākas pēdas.

“Pielāgošana ir ļoti prasīga; visi materiāla defekti kļūst izteiktāki, tāpēc jums ir nepieciešami augstas kvalitātes materiāli un labākas izgatavošanas metodes, ”skaidroja Dr. Luiss Ono, šī pētījuma līdzautors.

Perovskītu nestabilitāte ir vēl viena galvenā problēma, kas tiek intensīvi izmeklēta. Komerciālajām saules baterijām jāspēj izturēt vairākus gadus ilgas darbības, bet šobrīd perovskītu saules baterijas ātri sadalās.

Slāņu veidošana

Profesora Kji komanda, kuru atbalstīja OIST tehnoloģiju attīstības un inovāciju centra koncepcijas pierādīšanas programma, pievērsās šiem stabilitātes un efektivitātes jautājumiem, izmantojot jaunu pieeju. Perovskite saules ierīces sastāv no vairākiem slāņiem - katrs ar noteiktu funkciju. Tā vietā, lai koncentrētos tikai uz vienu slāni, viņi apskatīja ierīces kopējo veiktspēju un to, kā slāņi mijiedarbojas viens ar otru.

Aktīvais perovskita slānis, kas absorbē saules gaismu, atrodas ierīces centrā, starp citiem slāņiem. Kad gaismas fotoni sit pa perovskita slāni, negatīvi lādētie elektroni izmanto šo enerģiju un “lec” uz augstāku enerģijas līmeni, atstājot aiz pozitīvi lādētiem “caurumiem” tur, kur kādreiz bija elektroni. Pēc tam šie lādiņi tiek novirzīti pretējos virzienos elektronu un caurumu transportēšanas slāņos virs un zem aktīvā slāņa. Tas rada lādiņa vai elektrības plūsmu, kas var atstāt saules ierīci caur elektrodiem. Ierīci iekapsulē arī aizsargslānis, kas samazina noārdīšanos un novērš toksisko ķīmisko vielu noplūdi vidē.

Pētījumā zinātnieki strādāja ar saules moduļiem, kuru izmērs bija 22,4 cm2.

Vispirms zinātnieki uzlaboja perovskīta aktīvā slāņa un elektronu transporta slāņa saskarni, starp diviem slāņiem pievienojot ķīmisku vielu EDTAK. Viņi atklāja, ka EDTAK neļāva alvas oksīda elektronu transporta slānim reaģēt ar aktīvo perovskita slāni, palielinot saules moduļa stabilitāti.

EDTAK arī uzlaboja perovskīta saules moduļa efektivitāti divos dažādos veidos. Pirmkārt, kālijs EDTAK iekļuva aktīvajā perovskita slānī un “sadzīja” sīkus defektus uz perovskita virsmas. Tas neļāva šiem defektiem ieslodzīt kustīgos elektronus un caurumus, ļaujot radīt vairāk elektrības. EDTAK arī palielināja veiktspēju, uzlabojot alvas oksīda elektronu transporta slāņa vadošās īpašības, atvieglojot elektronu savākšanu no perovskita slāņa.

Zinātnieki veica līdzīgus uzlabojumus saskarnē starp aktīvo slāni un perovskīta slāni. Šoreiz viņi starp slāņiem pievienoja perovskita veidu, ko sauc par EAMA, kas uzlaboja caurumu transportēšanas slāņa spēju uztvert caurumus.

Arī ar EAMA apstrādātā ierīce parādīja labāku stabilitāti mitruma un temperatūras testos. Tas bija saistīts ar to, kā EAMA mijiedarbojās ar perovskīta aktīvā slāņa virsmu, kas ir kristāla graudu mozaīka. Saules ierīcēs bez EAMA zinātnieki redzēja, ka uz aktīvā slāņa virsmas veidojas plaisas, kas radušās no robežām starp šiem graudiem. Kad zinātnieki pievienoja EAMA, viņi novēroja, ka papildu perovskīta materiāls aizpilda graudu robežas un apturēja mitruma iekļūšanu, novēršot šo plaisu veidošanos.

Komanda arī pārveidoja pašu caurumu transportēšanas kārtu, sajaucot nelielu daudzumu polimēra ar nosaukumu PH3T. Šis polimērs paaugstināja mitruma izturību, nodrošinot kārta ar ūdeni atgrūdošām īpašībām.

Polimērs arī atrisināja galveno problēmu, kas iepriekš ir kavējusi uzlabot ilgtermiņa stabilitāti. Elektrodu virs perovskīta saules moduļa veido no plānām zelta sloksnēm. Bet laika gaitā sīkas zelta daļiņas migrē no elektrodu caur caurumu transportēšanas slāni aktīvajā perovskita slānī. Tas neatgriezeniski pasliktina ierīces darbību.

Kad pētnieki iekļāva PH3T, viņi atklāja, ka zelta daļiņas ierīcē migrēja lēnāk, kas ievērojami palielināja moduļa kalpošanas laiku.

Galīgajam uzlabojumam zinātnieki papildus stiklam pievienoja plānu plānu polimēra, parilēna kārtu, lai nodrošinātu saules moduļa aizsargpārklājumu. Ar šo papildu aizsardzību saules moduļi uzturēja aptuveni 86% no to sākotnējās veiktspējas, pat pēc 2000 pastāvīga apgaismojuma stundām.

Sadarbībā ar Dr. Saidu Kazaoui Nacionālajā progresīvās rūpniecības zinātnes un tehnoloģijas institūtā (AIST), OIST komanda pārbaudīja uzlabotos saules moduļus un ieguva efektivitāti 16,6% - ļoti augstu efektivitāti šāda izmēra saules modulim. Tagad pētnieku mērķis ir veikt šīs modifikācijas lielākiem saules moduļiem, kas nākotnē ļaus attīstīt liela mēroga komerciālas saules tehnoloģijas.