Kaynak: utoronto.ca
Toronto Üniversitesi Uygulamalı Bilimler ve Mühendislik Fakültesi'nden bir araştırmacı ekibi, ters çevrilmiş perovskit güneş pili olarak bilinen bir cihazdaki aktif katmanı optimize etmek için kuantum mekaniğinden yararlandı - bir gün kitlesel pazar güneş pilleriyle sonuçlanabilecek bir teknoloji.
Şu anda, neredeyse tüm ticari güneş pilleri, üretmek için önemli miktarda enerji gerektiren yüksek saflıkta silikondan yapılmıştır. Ancak dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, daha az enerjiyle ve daha düşük maliyetle üretilebilecek ve kurulabilecek alternatif güneş teknolojilerini deniyorlar.
Bu alternatiflerden biri, üzerinde çalışılmakta olanSargent Group laboratuvarı, perovskit olarak bilinir. Perovskit malzemelerin gücü, ışığı çok ince bir tabaka halinde emmelerini ve verimli bir şekilde elektriğe dönüştürmelerini sağlayan benzersiz kristal yapılarından gelir.
"Perovskit kristalleri sıvı bir mürekkepten yapılır ve rulodan ruloya baskı gibi endüstride zaten iyi kurulmuş olan teknolojiyi kullanarak yüzeylere kaplanır" diyor Sargent'ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı ve dört ortak yazardan biri olan Hao Chen.Nature Photonics'te yayınlanan yeni bir makale.
"Bu nedenle, perovskit güneş pilleri, silikondan çok daha düşük enerji maliyetiyle seri üretilme potansiyeline sahiptir. Buradaki zorluk, şu anda perovskit güneş pillerinin geleneksel silikon hücreleri stabilitede geciktirmesidir. Bu çalışmada bu açığı kapatmayı amaçladık."
Chen, ortak baş yazarları - doktora adayı Sam Teale ve doktora sonrası araştırmacılar Bin Chen ve Yi Hou - ile birlikte ters çevrilmiş bir güneş pili yapısına dayanan bir strateji kullanıyorlar.
Çoğu prototip perovskit güneş pilinde, elektronlar hücrenin alt tabakasındaki negatif bir elektrottan çıkarlar, geride bıraktıkları "delikler" üstteki pozitif bir elektrottan çıkarlar.
Bu düzenlemenin tersine çevrilmesi, alternatif üretim tekniklerinin kullanılmasını sağlar ve geçmiş araştırmalar, bunların perovskit tabakasının stabilitesini artırabileceğini göstermiştir. Ancak değişimin performans açısından bir bedeli var.
"Perovskit tabakası ile üst elektrot arasında iyi temas kurmak zor," diyor Chen. "Bunu çözmek için, araştırmacılar tipik olarak organik moleküllerden yapılmış bir pasivasyon tabakası yerleştiriyorlar. Bu, geleneksel yönelimde gerçekten iyi çalışır, çünkü 'delikler' bu pasivasyon katmanından geçebilir. Ancak elektronlar bu tabaka tarafından bloke edilir, bu yüzden hücreyi ters çevirdiğinizde büyük bir sorun haline gelir. "
Ekip, kuantum mekaniğinden yararlanarak bu sınırlamanın üstesinden geldi – malzemelerin çok küçük uzunluk ölçeklerindeki davranışlarını belirten fiziksel ilke, daha büyük olanlarda gözlemlenenlerden farklıdır.
Teale, "Prototip güneş pillerimizde, perovskitler son derece ince bir tabaka ile sınırlıdır - yüksekliği sadece bir ila üç kristal" diyor. "Bu iki boyutlu şekil, kuantum mekaniği ile ilişkili özelliklere erişmemizi sağlıyor. Örneğin, perovskitlerin hangi ışık dalga boylarını emdiğini veya elektronların katman içinde nasıl hareket ettiğini kontrol edebiliriz. "
Ekip ilk olarak güneş pillerinin üstünde iki boyutlu bir perovskit yüzeyi üretmek için diğer gruplar tarafından kurulan kimyasal bir teknik kullandı. Bu, perovskit tabakasının kendi başına pasivasyon elde etmesini sağlayarak organik tabakaya olan ihtiyacı tamamen ortadan kaldırdı.
Elektron bloke edici etkinin üstesinden gelmek için, ekip perovskit tabakasının kalınlığını yükseklikteki bir kristalden üçe çıkardı. Bilgisayar simülasyonları, bu değişikliğin enerji manzarasını, elektronların harici bir devreye kaçmasını sağlayacak kadar değiştireceğini göstermişti, bu da laboratuvarda doğrulanan bir tahmindi.
Ekibin hücrelerinin güç dönüşüm verimliliği, oda sıcaklığında 1.000 saatlik çalışmadan sonra solmayan bir seviye olan yüzde 23,9 olarak ölçüldü. 65 ° C'ye kadar olan sıcaklıklarda endüstri standardı hızlandırılmış yaşlanma işlemine tabi tutulduğunda bile, performans 500 saatten fazla kullanımdan sonra yalnızca yüzde sekiz oranında azaldı.
Gelecekteki çalışmalar, daha yüksek sıcaklıklar da dahil olmak üzere hücrelerin stabilitesini daha da artırmaya odaklanacaktır. Ekip ayrıca, mevcut hücreler sadece yaklaşık beş milimetre kare büyüklüğünde olduğu için daha geniş bir yüzey alanına sahip hücreler inşa etmek istiyor.
Yine de, mevcut sonuçlar bu alternatif güneş teknolojisinin geleceği için iyi bir işarettir.
Teale, "Makalemizde, prototiplerimizi yakın zamanda bilimsel literatürde yayınlanan hem geleneksel hem de ters çevrilmiş perovskit güneş pilleriyle karşılaştırıyoruz" diyor.
"Elde ettiğimiz yüksek stabilite ve yüksek verimlilik kombinasyonu gerçekten göze çarpıyor. Ayrıca, perovskit teknolojisinin sadece birkaç on yıllık olduğunu, oysa silikonun 70 yıldır üzerinde çalışıldığını unutmamalıyız. Hala gelecek çok fazla gelişme var."
