Джерело: oist.jp
Дослідники Вищого університету Окінавського інституту науки та технології (OIST) створили сонячні модулі нового покоління з високою ефективністю та хорошою стабільністю. Ці сонячні модулі, виготовлені з використанням матеріалу, який називається перовскітом, можуть підтримувати високі показники роботи понад 2000 годин. Їхні висновки, повідомлені 20 липня 2020 року в провідному журналі Nature Nature, посилили перспективи комерціалізації.
Перовскіти мають потенціал до революції в галузі сонячних технологій. Гнучкі та легкі, вони обіцяють більшу універсальність, ніж важкі і жорсткі клітини на основі кремнію, що зараз домінують на ринку. Але вчені повинні подолати деякі основні перешкоди, перш ніж перовскіти можуть бути комерціалізовані.
"Три перовскіти повинні відповідати три умови: вони повинні бути дешевими для виробництва, високоефективними та тривалим терміном експлуатації", - сказав професор Ябінг Ци, керівник ОІСТВідділ енергетичних матеріалів та наук про поверхню, який керував цим дослідженням.
Демонстрація сонячної комірки Перовскіта
Вартість виготовлення перовскітних сонячних батарей невисока, оскільки дешева сировина вимагає мало енергії для переробки. І лише за десятиліття вчені досягли величезних успіхів у вдосконаленні того, наскільки ефективно перовскітні сонячні батареї перетворюють сонячне світло в електрику, а рівень ефективності зараз порівнянний з рівнем клітин на основі кремнію.
Однак, коли масштаб зростає від крихітних сонячних батарей до більших сонячних модулів, рівень ефективності перовскітів знижується. Це проблематично, оскільки комерційна сонячна технологія повинна залишатися ефективною при розмірі сонячних панелей, довжиною в кілька футів.
«Масштабування дуже вимогливе; будь-які дефекти матеріалу стають більш вираженими, тому вам потрібні якісні матеріали та кращі технології виготовлення », - пояснив доктор Луїс Оно, співавтор цього дослідження.
(Зліва) Підрозділ з енергетичних матеріалів та поверхонь OIST працює з сонячними елементами та модулями різної величини. (Праворуч) У цьому дослідженні вчені працювали із сонячними модулями розміром 5 см х 5 см.
Нестабільність перовскітів - ще одне ключове питання, що знаходиться під інтенсивним дослідженням. Комерційні сонячні батареї повинні мати можливість витримати роки роботи, але в даний час перовскітні сонячні батареї швидко руйнуються.
Нарощування шарів
Команда професора Ци, підтримана Програмою підтвердження концепції розвитку Центру розвитку технологій та інновацій OIST, вирішила ці проблеми стабільності та ефективності, використовуючи новий підхід. Перовскітські сонячні пристрої складаються з декількох шарів - кожен з певною функцією. Замість того, щоб зосередитись лише на одному шарі, вони розглянули загальну продуктивність пристрою та те, як шари взаємодіють один з одним.
Активний шар перовскіту, який поглинає сонячне світло, лежить в центрі пристрою, просочений між іншими шарами. Коли фотони світла потрапляють у шар перовскіту, негативно заряджені електрони використовують цю енергію і «стрибають» на більш високий енергетичний рівень, залишаючи позаду позитивно заряджені «дірки» там, де раніше були електрони. Потім ці заряди переводяться в протилежних напрямках в шари транспорту електронів і дірок над і під активним шаром. Це створює потік заряду - або електрики -, який може залишати сонячний прилад через електроди. Пристрій також інкапсульований захисним шаром, який зменшує деградацію та запобігає потрапляння токсичних хімічних речовин у навколишнє середовище.
Перовскітні сонячні батареї та модулі складаються з багатьох шарів, кожен з яких має специфічну функцію. Вчені додали або модифікували шари, виділені помаранчевим кольором.
У ході дослідження вчені працювали із сонячними модулями, які були 22,4 см2.
Вчені вперше покращили взаємодію між активним шаром перовскіту та шаром перенесення електронів, додавши хімічну речовину під назвою EDTAK між двома шарами. Вони виявили, що EDTAK заважає шару переносу електронів оксиду олова з активним шаром перовскіту, підвищуючи стабільність сонячного модуля.
EDTAK також покращив ефективність сонячного модуля перовскіту двома різними способами. По-перше, калій в ЕДТАКі перемістився в активний шар перовскіту і «залікував» крихітні дефекти на поверхні перовскіту. Це заважало цим дефектам захоплювати рухомі електрони та дірки, дозволяючи генерувати більше електроенергії. EDTAK також підвищив продуктивність, посилюючи електропровідні властивості електронного шару перенесення оксиду олова, полегшуючи збір електронів з шару перовскіту.
Вчені внесли аналогічні вдосконалення в інтерфейс між активним шаром перовскіту та шаром транспортування отворів. Цього разу вони додали тип шарів перовскіту під назвою EAMA між шарами, що підвищило здатність транспортувального шару до дір отримувати отвори.
Пристрій, оброблений EAMA, також показав кращу стійкість при випробуваннях на вологість і температуру. Це було пов'язано з тим, як EAMA взаємоділа з поверхнею активного шару перовскіту, який є мозаїкою із кристалічних зерен. У сонячних приладах без EAMA вчені побачили, що на поверхні активного шару утворюються тріщини, які походять від меж між цими зернами. Коли вчені додали EAMA, вони помітили, що додатковий матеріал перовскіту заповнює межі зерна і зупиняє потрапляння вологи, не даючи цим тріщинам утворюватися.
Команда також модифікувала сам транспортний шар отвору, змішуючи невелику кількість полімеру, що називається PH3T. Цей полімер підвищував вологостійкість, надаючи шару водовідштовхувальні властивості.
Полімер також вирішив основну проблему, яка раніше перешкоджала поліпшенню довгострокової стабільності. Електрод на вершині сонячного модуля перовскіта формується з тонких смужок золота. Але з часом крихітні золоті частинки мігрують з електрода, через отвір шар транспорту і в активний шар перовскіту. Це безповоротно погіршує продуктивність пристрою.
Коли дослідники включили PH3T, вони виявили, що золоті частинки мігрують у пристрій повільніше, що значно збільшує термін експлуатації модуля.
Для їх остаточного вдосконалення вчені додали тонкий шар полімеру, крім скляного, парілену, щоб забезпечити захисне покриття сонячному модулю. За допомогою цього додаткового захисту сонячні модулі зберігали близько 86% від своїх початкових показників, навіть після 2000 годин постійного освітлення.
У співпраці з доктором Саїдом Казауї з Національного інституту прогресивної промислової науки та технологій (AIST) команда OIST випробувала вдосконалені сонячні модулі та отримала ефективність 16,6% - це дуже висока ефективність для сонячного модуля такого розміру. Зараз дослідники мають на меті здійснити ці модифікації на великих сонячних модулях, провівши шлях до розвитку масштабних комерційних сонячних технологій у майбутньому.
