Źródło: news.northwestern.edu
Odkrycia, opublikowane dzisiaj (17 listopada) w czasopiśmie Science, opisują dwucząsteczkowe rozwiązanie pozwalające przezwyciężyć straty wydajności w wyniku przekształcania światła słonecznego w energię. Włączając najpierw cząsteczkę, która ma zająć się zjawiskiem zwanym rekombinacją powierzchniową, podczas której elektrony są tracone, gdy zostaną uwięzione przez defekty – brakujące atomy na powierzchni, oraz drugą cząsteczkę, która zakłóca rekombinację na styku warstw, zespół osiągnął projekt National Renewable Laboratorium energetyczne (NREL) certyfikowało wydajność na poziomie 25,1%, podczas gdy wcześniejsze podejścia osiągnęły wydajność na poziomie zaledwie 24,09%.
„Technologia słoneczna perowskitu rozwija się szybko, a nacisk w badaniach i rozwoju przesuwa się z absorbera masowego na powierzchnie międzyfazowe” – powiedział profesor Northwestern Ted Sargent. „To kluczowy punkt umożliwiający dalszą poprawę wydajności i stabilności oraz przybliżenie nas do tej obiecującej drogi do coraz bardziej wydajnego pozyskiwania energii słonecznej”.
Sargent jest współdyrektorem wykonawczym Instytutu Zrównoważonego Rozwoju i Energii Pauli M. Trienens (dawniej ISEN) oraz multidyscyplinarnym badaczem w dziedzinie chemii materiałów i systemów energetycznych, pracując na wydziale chemii w Weinberg College of Arts and Sciences oraz w wydział inżynierii elektrycznej i komputerowej w McCormick School of Engineering.
Konwencjonalne ogniwa słoneczne są wykonane z płytek krzemowych o wysokiej czystości, których produkcja jest energochłonna i mogą pochłaniać jedynie ustalony zakres widma słonecznego.
Materiały perowskitowe, których rozmiar i skład można dostosować w celu „dostrojenia” długości fal pochłanianego przez nie światła, co czyni je korzystną i potencjalnie tańszą, wysokowydajną pojawiającą się technologią tandemową.
Historycznie rzecz biorąc, perowskitowe ogniwa słoneczne nękały wyzwania związane z poprawą wydajności ze względu na ich względną niestabilność. W ciągu ostatnich kilku lat postępy laboratorium Sargenta i innych sprowadziły wydajność perowskitowych ogniw słonecznych do tego samego zakresu, co osiągalny w przypadku krzemu.
W ramach obecnych badań, zamiast pomagać komórce wchłonąć więcej światła słonecznego, zespół skupił się na kwestii utrzymywania i zatrzymywania wygenerowanych elektronów w celu zwiększenia wydajności. Kiedy warstwa perowskitu styka się z warstwą transportującą elektrony w komórce, elektrony przemieszczają się z jednego do drugiego. Ale elektron może cofnąć się na zewnątrz i wypełnić lub „połączyć się” z dziurami istniejącymi w warstwie perowskitu.
„Rekombinacja na granicy faz jest złożona” – powiedział pierwszy autor Cheng Liu, doktorant w laboratorium Sargent, którego współnadzorem zajmują się profesorowie chemii Charlesa E. i Emmy H. Morrisonów Mercouri Kanatzidis. „Bardzo trudno jest zastosować jeden typ cząsteczek do rozwiązania złożonej rekombinacji i zatrzymania elektronów, dlatego zastanawialiśmy się, jakiej kombinacji cząsteczek moglibyśmy użyć, aby kompleksowo rozwiązać problem”.
Wcześniejsze badania zespołu Sargenta dostarczyły dowodów na to, że jedna cząsteczka, PDAI2, dobrze radzi sobie z rozwiązywaniem problemu rekombinacji interfejsu. Następnie musieli znaleźć cząsteczkę, która naprawiłaby defekty powierzchniowe i zapobiegła ponownemu łączeniu się z nimi elektronów.
Znajdując mechanizm, który umożliwiłby PDAI2 współpracę z cząsteczką wtórną, zespół skupił się na siarki, która mogłaby zastąpić grupy węglowe — zazwyczaj słabo zapobiegające przemieszczaniu się elektronów — w celu pokrycia brakujących atomów i powstrzymania rekombinacji.
„Zajmując się podstawowymi brakami w wydajności ogniw słonecznych z odwróconego perowskitu, które wynikają głównie ze strat w wyniku rekombinacji niepromienistej, ustanawia się nowy standard wydajności ogniw słonecznych” – powiedział profesor Northwestern Mercouri Kanatzidis. „To doskonała ilustracja tego, jak dziedzina zaawansowanej chemii materiałów może znacząco poprawić efektywność konwersji energii i trwałość nowych technologii fotowoltaicznych perowskitów”.
Kanatzidis jest wiodącym autorytetem w dziedzinie chemii materiałowej i rozwiązań w zakresie zrównoważonej energii, piastującym podwójne stanowiska na wydziale chemii Weinberga i na wydziale inżynierii materiałowej firmy McCormick.
„Jesteśmy podekscytowani, że nasza strategia bimolekularna wykazuje zastosowanie w przypadku szeregu kompozycji perowskitów, w tym tych, które są obiecujące dla tandemowych ogniw słonecznych” – powiedział Bin Chen, adiunkt w dziedzinie chemii i współautor artykułu.
W niedawnym artykule tej samej grupy opublikowanym w Nature opracowano powłokę podłoża pod warstwą perowskitu, która pomaga ogniwu pracować w wyższej temperaturze przez dłuższy czas. Zdaniem Liu rozwiązanie to może działać w połączeniu z ustaleniami zawartymi w artykule naukowym.
Zespół ma nadzieję, że ich odkrycia zachęcą większą społeczność naukową do kontynuowania prac, ale on również będzie pracował nad dalszymi działaniami.
„Musimy zastosować bardziej elastyczną strategię, aby rozwiązać złożony problem z interfejsem” – powiedział Cheng. „Nie możemy używać tylko jednego rodzaju cząsteczek, jak to robili wcześniej ludzie. Używamy dwóch cząsteczek do rozwiązywania dwóch rodzajów rekombinacji, ale jesteśmy pewni, że na styku istnieje więcej rodzajów rekombinacji związanych z defektami. Musimy spróbować użyć więcej cząsteczek się zjednoczy i zapewni, że wszystkie cząsteczki będą ze sobą współdziałać, nie niszcząc swoich funkcji.”
