Джерело: utoronto.ca
Команда дослідників з факультету прикладних наук та інженерії Університету Торонто використовувала квантову механіку для оптимізації активного шару в пристрої, відомому як перевернута перовскітова сонячна батарея - технологія, яка одного разу може призвести до масового ринку сонячних батарей, які є частиною тих, хто в даний час на ринку.
В даний час практично всі комерційні сонячні батареї виготовляються з кремнію високої чистоти, для виробництва якого потрібна значна енергія. Але дослідники по всьому світу експериментують з альтернативними сонячними технологіями, які можуть бути виготовлені і встановлені з меншою кількістю енергії і за нижчою ціною.
Одна з таких альтернатив, яка вивчається вЛабораторія Sargent GroupВідомий як перовскіт. Потужність перовскітних матеріалів виходить від їх унікальної кристалічної структури, що дозволяє їм поглинати світло в дуже тонкому шарі і ефективно перетворювати його в електрику.
"Кристали перовскіту виготовляються з рідкого чорнила і покриваються на поверхнях за допомогою технології, яка вже добре зарекомендувала себе в промисловості, таких як рулонний друк", - говорить Хао Чен, пост-докторант в лабораторії Сарджента і один з чотирьох співавторівНова стаття, опублікована в Nature Photonics.
Через це перовскітові сонячні батареї мають потенціал для масового виробництва за набагато нижчими витратами енергії, ніж кремній. Проблема полягає в тому, що зараз перовскітні сонячні елементи відстають від традиційних кремнієвих елементів у стабільності. У цьому дослідженні ми прагнули закрити цю прогалину».
Чень разом зі своїми співавторами - кандидатом наук Семом Тілом і постдокторантами Бін Чень і Ї Хоу - використовують стратегію, засновану на перевернутій структурі сонячних елементів.
У більшості прототипів перовскітних сонячних елементів електрони виходять через негативний електрод в нижньому шарі клітини, причому «дірки», які вони залишають після себе, виходять через позитивний електрод у верхній частині.
Скасування цієї домовленості дозволяє використовувати альтернативні методи виробництва, і минулі дослідження показали, що вони можуть поліпшити стабільність перовскітного шару. Але зміни відбуваються ціною з точки зору продуктивності.
"Важко отримати хороший контакт між перовскітним шаром і верхнім електродом", - говорить Чень. Щоб вирішити цю проблему, дослідники зазвичай вставляють пасиваційний шар, зроблений з органічних молекул. Це дуже добре працює в традиційній орієнтації, тому що "дірки" можуть пройти прямо через цей пасиваційний шар. Але електрони блокуються цим шаром, тому, коли ви інвертуєте клітину, це стає великою проблемою.
Команда подолала це обмеження, скориставшись перевагами квантової механіки - фізичний принцип, який стверджує, що поведінка матеріалів в дуже малих масштабах довжини відрізняється від того, що спостерігається у великих.
"У нашому прототипі сонячних елементів перовскіти обмежуються надзвичайно тонким шаром - всього від одного до трьох кристалів у висоту", - говорить Тіле. «Ця двовимірна форма дозволяє нам отримати доступ до властивостей, пов'язаних з квантовою механікою. Ми можемо контролювати, наприклад, які довжини хвиль світла поглинають перовскіти, або як електрони рухаються всередині шару».
Команда вперше використала хімічну техніку, встановлену іншими групами, для виробництва двовимірної поверхні перовскіту на вершині їх сонячної батареї. Це дозволило перовскітному шару домогтися пасивації самостійно, усунувши необхідність органічного шару в цілому.
Щоб подолати ефект блокування електронів, команда збільшила товщину перовскітного шару з одного кристала у висоту до трьох. Комп'ютерне моделювання показало, що ця зміна змінить енергетичний ландшафт достатньо, щоб електрони могли втекти в зовнішній ланцюг, прогноз, який був зроблений в лабораторії.
Ефективність перетворення потужності клітин команди була виміряна на рівні 23,9%, рівень, який не згас після 1000 годин роботи при кімнатній температурі. Навіть при впливі промислового стандарту прискореного процесу старіння при температурі до 65 С продуктивність знизилася лише на вісім відсотків після більш ніж 500 годин використання.
Майбутня робота буде зосереджена на подальшому підвищенні стабільності клітин, в тому числі при ще більш високих температурах. Команда також хотіла б побудувати клітини з більшою площею поверхні, оскільки поточні клітини мають лише близько п'яти квадратних міліметрів в розмірі.
Тим не менш, поточні результати віщують добре для майбутнього цієї альтернативної сонячної технології.
"У нашій роботі ми порівнюємо наші прототипи як з традиційними, так і з перевернутими перовскітними сонячними елементами, які нещодавно були опубліковані в науковій літературі", - говорить Тіле.
«Поєднання високої стабільності та високої ефективності, яких ми досягли, дійсно виділяється. Слід також мати на увазі, що перовскітній технології всього пару десятиліть, тоді як кремній працює вже 70 років. Попереду ще багато поліпшень».
