Kaynak: oist.jp
Okinawa Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (OIST) araştırmacıları, yüksek verimlilik ve iyi stabiliteye sahip yeni nesil güneş modülleri oluşturdular. Perovskites adı verilen bir tür malzeme kullanılarak üretilen bu güneş modülleri, 2000 saatin üzerinde yüksek bir performans sağlayabilir. 20 Temmuz 2020'de önde gelen Nature Nature Energy dergisinde yayınlanan bulguları, ticarileştirme beklentilerini artırdı.
Perovskitler güneş teknolojisi endüstrisinde devrim yapma potansiyeline sahiptir. Esnek ve hafif, şu anda piyasaya hakim olan ağır ve sert silikon bazlı hücrelerden daha fazla çok yönlülük vaat ediyorlar. Ancak bilim adamları, perovskitlerin ticarileştirilmesinden önce bazı büyük engellerin üstesinden gelmek zorundadır.
“Perovskitlerin yerine getirmesi gereken üç koşul var: üretmek ucuz, yüksek verimli ve uzun ömürlü olmalılar,” diyor OIST başkanı Profesör Yabing QiEnerji Malzemeleri ve Yüzey Bilimleri Birimi, bu çalışmayı yöneten.
Bir Perovskite Güneş Pili'nin bir gösterimi
Perovskit güneş pilleri üretmenin maliyeti düşüktür, çünkü ucuz hammaddeler işlenmek için çok az enerji gerektirir. Ve sadece on yıldan uzun bir süredir, bilim adamları, perovskit güneş pillerinin güneş ışığını elektriğe ne kadar etkili bir şekilde dönüştürdüğünü geliştirme konusunda büyük adımlar attılar ve verimlilik seviyeleri artık silikon bazlı hücrelerle karşılaştırılabilir.
Bununla birlikte, bir zamanlar küçük güneş hücrelerinden daha büyük güneş modüllerine kadar ölçeklendirildi, perovskitlerin verimlilik seviyeleri düştü. Ticari güneş teknolojisinin, birkaç metre uzunluğunda güneş panelleri boyutunda verimli kalması gerektiğinden bu sorunludur.
“Ölçeklendirme çok zorlayıcı; malzemedeki herhangi bir kusur daha belirgin hale gelir, bu nedenle yüksek kaliteli malzemelere ve daha iyi üretim tekniklerine ihtiyacınız vardır, ”diye açıkladı.
(Sol) OIST Enerji Malzemeleri ve Yüzey Bilimleri Birimi, güneş pilleri ve değişen büyüklükteki modüller ile çalışır. (Doğru) Bu çalışmada, bilim adamları 5 cm x 5 cm güneş modülleri ile çalıştı.
Perovskitlerin dengesizliği, yoğun soruşturma altındaki bir diğer önemli konudur. Ticari güneş pillerinin yıllarca çalışmaya dayanabilmesi gerekir, ancak şu anda perovskite güneş pilleri hızlı bir şekilde bozunmaktadır.
Katmanları oluşturma
OIST Teknoloji Geliştirme ve Yenilik Merkezi'nin Kavram Kanıtı Programı tarafından desteklenen Profesör Qi'nin ekibi, bu istikrar ve verimlilik konularına yeni bir yaklaşım kullanarak hitap etti. Perovskite güneş cihazları, her biri belirli bir işleve sahip birden fazla katmandan oluşur. Sadece bir katmana odaklanmak yerine, cihazın genel performansına ve katmanların birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğine baktılar.
Güneş ışığını emen aktif perovskit katmanı, diğer katmanlar arasında sıkışmış cihazın merkezinde yer alır. Işık fotonları perovskit tabakasına çarptığında, negatif yüklü elektronlar bu enerjiden yararlanır ve elektronların olduğu yerde pozitif yüklü “delikler” bırakarak daha yüksek bir enerji seviyesine “atlar”. Bu yükler daha sonra zıt yönlerde aktif katmanın üstünde ve altında elektron ve delik taşıma katmanlarına yönlendirilir. Bu, güneş cihazını elektrotlar aracılığıyla terk edebilecek bir şarj akışı veya elektrik akışı yaratır. Cihaz ayrıca bozunmayı azaltan ve toksik kimyasalların çevreye sızmasını önleyen koruyucu bir tabaka ile kapsüllenmiştir.
Perovskite güneş pilleri ve modülleri, her biri belirli bir işlevi olan birçok katmandan oluşur. Bilim adamları turuncu ile vurgulanan katmanları eklediler veya değiştirdiler.
Çalışmada, bilim adamları 22.4 cm2 olan güneş modülleri ile çalıştı.
Bilim adamları ilk önce iki katman arasına EDTAK adı verilen bir kimyasal ekleyerek perovskit aktif katman ile elektron taşıma katmanı arasındaki arayüzü geliştirdiler. EDTAK'ın kalay oksit elektron taşıma tabakasının perovskit aktif tabaka ile reaksiyona girmesini önlediğini ve güneş modülünün stabilitesini arttırdığını buldular.
EDTAK ayrıca perovskite güneş modülünün verimliliğini iki farklı şekilde geliştirdi. İlk olarak, EDTAK'taki potasyum aktif perovskit tabakasına taşındı ve perovskit yüzeyindeki küçük kusurları “iyileştirdi”. Bu, bu kusurların hareketli elektronları ve delikleri tutmasını önleyerek daha fazla elektrik üretilmesini sağladı. EDTAK ayrıca kalay oksit elektron taşıma katmanının iletken özelliklerini artırarak performansı arttırdı ve perovskit katmanından elektronların toplanmasını kolaylaştırdı.
Bilim adamları, perovskit aktif katmanı ve delik taşıma katmanı arasındaki arayüzde benzer iyileştirmeler yaptılar. Bu kez, katmanlar arasına EAMA adı verilen bir tür perovskit eklediler, bu da delik taşıma katmanının delik alma yeteneğini arttırdı.
EAMA ile işlenen cihaz ayrıca nem ve sıcaklık testleri altında daha iyi stabilite gösterdi. Bu, EAMA'nın kristal tanelerin bir mozaiği olan perovskit aktif tabakasının yüzeyi ile etkileşime girmesinden kaynaklanıyordu. EAMA içermeyen güneş cihazlarında, bilim adamları aktif tabakanın yüzeyinde, bu tahıllar arasındaki sınırlardan kaynaklanan çatlakların oluştuğunu gördüler. Bilim adamları EAMA'yı eklediğinde, ek perovskit malzemenin tane sınırlarını doldurduğunu ve nemin girmesini engellediğini ve bu çatlakların oluşmasını önlediğini gözlemlediler.
Ekip ayrıca PH3T adı verilen az miktarda polimeri karıştırarak delik taşıma katmanının kendisini de değiştirdi. Bu polimer, tabakaya su itici özellikler sağlayarak nem direncini arttırdı.
Polimer ayrıca daha önce uzun vadeli istikrardaki gelişmeleri engelleyen önemli bir sorunu da çözdü. Perovskit güneş modülünün üstündeki elektrot, ince altın şeritlerden oluşur. Ancak zamanla, küçük altın parçacıkları elektrottan, delik taşıma katmanından ve aktif perovskit katmanına göç eder. Bu, cihazın performansını geri döndürülemez şekilde bozar.
Araştırmacılar PH3T'yi dahil ettiklerinde, altın parçacıklarının cihaza daha yavaş göç ettiğini ve bu da modülün ömrünü önemli ölçüde artırdığını buldular.
Son gelişmeler için, bilim adamları güneş modülüne koruyucu bir kaplama sağlamak için cama ek olarak ince bir polimer, parilen tabakası eklediler. Bu ilave koruma ile, güneş modülleri 2000 saatlik sürekli aydınlatmadan sonra bile başlangıç performanslarının yaklaşık% {0}} kadarını tuttu.
Ulusal İleri Endüstriyel Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (AIST) Dr. Said Kazaoui ile işbirliği içinde, OIST ekibi geliştirilmiş güneş modüllerini test etti ve% 16.6 verimlilik elde etti - bu boyuttaki bir güneş modülü için çok yüksek bir verimlilik. Araştırmacılar şimdi bu modifikasyonları daha büyük güneş modülleri üzerinde gerçekleştirerek gelecekte büyük ölçekli, ticari güneş teknolojisinin geliştirilmesine yol açıyor.
