Izvor:news.northwestern.edu
Nalazi, objavljeni danas (17. studenog) u časopisu Science, opisuju dvomolekulsko rješenje za prevladavanje gubitaka u učinkovitosti dok se sunčeva svjetlost pretvara u energiju. Uključivanjem prve, molekule za rješavanje nečega što se zove površinska rekombinacija, u kojoj se elektroni gube kada su zarobljeni defektima — nedostajućim atomima na površini, i druge molekule za ometanje rekombinacije na sučelju između slojeva, tim je postigao nacionalni obnovljivi izvor energije Energy Lab (NREL) certificirao je učinkovitost od 25,1%, dok su raniji pristupi postizali učinkovitost od samo 24,09%.
"Perovskite solarna tehnologija brzo napreduje, a naglasak istraživanja i razvoja pomiče se s bulk apsorbera na sučelja", rekao je profesor Northwestern Ted Sargent. "Ovo je kritična točka za daljnje poboljšanje učinkovitosti i stabilnosti i približavanje ovom obećavajućem putu sve učinkovitije solarne žetve."
Sargent je suizvršni direktor Paula M. Trienens instituta za održivost i energiju (bivši ISEN) i multidisciplinarni istraživač u kemiji materijala i energetskih sustava, s imenovanjima na odjelu za kemiju na Weinberg College of Arts and Sciences i odjel elektrotehnike i računalnog inženjerstva na McCormick School of Engineering.
Konvencionalne solarne ćelije izrađene su od silicijskih pločica visoke čistoće čija je proizvodnja energetski intenzivna i mogu apsorbirati samo fiksni raspon sunčevog spektra.
Perovskitni materijali čija se veličina i sastav mogu prilagoditi za "podešavanje" valnih duljina svjetlosti koju apsorbiraju, što ih čini povoljnom i potencijalno jeftinijom, visoko učinkovitom tandem tehnologijom u nastajanju.
Povijesno gledano perovskitne solarne ćelije bile su mučene izazovima poboljšanja učinkovitosti zbog njihove relativne nestabilnosti. Tijekom proteklih nekoliko godina, napredak Sargentovog laboratorija i drugih doveo je učinkovitost perovskitnih solarnih ćelija u isti raspon kao što je to moguće postići sa silicijem.
U sadašnjem istraživanju, umjesto pokušaja pomoći stanici da apsorbira više sunčeve svjetlosti, tim se usredotočio na pitanje održavanja i zadržavanja generiranih elektrona kako bi se povećala učinkovitost. Kada sloj perovskita dođe u kontakt sa slojem za prijenos elektrona u stanici, elektroni se kreću od jednog do drugog. Ali elektron se može pomaknuti natrag prema van i ispuniti ili se "rekombinirati" s rupama koje postoje na sloju perovskita.
"Rekombinacija na sučelju je složena", rekao je prvi autor Cheng Liu, postdoktorand u laboratoriju Sargent, koji je pod nadzorom profesora kemije Charlesa E. i Emme H. Morrison Mercouri Kanatzidis. "Vrlo je teško koristiti jednu vrstu molekule za rješavanje složene rekombinacije i zadržavanje elektrona, pa smo razmotrili koju bismo kombinaciju molekula mogli koristiti za sveobuhvatnije rješavanje problema."
Prijašnja istraživanja Sargentova tima pronašla su dokaze da jedna molekula, PDAI2, dobro radi u rješavanju rekombinacije sučelja. Zatim su trebali pronaći molekulu koja bi popravljala površinske nedostatke i sprječavala rekombinaciju elektrona s njima.
Pronalaženjem mehanizma koji bi omogućio PDAI2 da radi sa sekundarnom molekulom, tim se suzio na sumpor, koji bi mogao zamijeniti ugljikove skupine - obično loše u sprječavanju kretanja elektrona - kako bi pokrio atome koji nedostaju i suzbio rekombinaciju.
"U rješavanju temeljnih neučinkovitosti pronađenih u invertiranim perovskitnim solarnim ćelijama, koje su pretežno posljedica neradijacijskih rekombinacijskih gubitaka, postavlja se novi standard u učinkovitosti solarnih ćelija", rekao je profesor s Northwestern Mercouri Kanatzidis. "Ovo je vrhunska ilustracija kako polje napredne kemije materijala može značajno poboljšati učinkovitost pretvorbe energije i dugovječnost novonastalih perovskitnih fotonaponskih tehnologija."
Kanatzidis je vodeći autoritet u području kemije materijala i održivih energetskih rješenja, s dvojnim imenovanjima u Weinbergovom odjelu za kemiju i McCormickovom odjelu za znanost o materijalima i inženjerstvo.
"Uzbuđeni smo što naša bimolekularna strategija pokazuje primjenjivost na niz sastava perovskita, uključujući one koji su obećavajući za tandemske solarne ćelije", rekao je Bin Chen, asistent profesor kemije i koautor rada.
Nedavni rad iste skupine objavljen u Natureu razvio je premaz za supstrat ispod sloja perovskita kako bi stanici pomogao da radi na višoj temperaturi dulje vrijeme. Ovo rješenje, prema Liuu, može funkcionirati u tandemu s nalazima unutar znanstvenog rada.
Dok se tim nada da će njihova otkrića potaknuti širu znanstvenu zajednicu da nastavi s radom, oni će također raditi na praćenju.
"Moramo koristiti fleksibilniju strategiju kako bismo riješili složeni problem sučelja", rekao je Cheng. "Ne možemo koristiti samo jednu vrstu molekule, kao što su ljudi prije radili. Koristimo dvije molekule za rješavanje dvije vrste rekombinacije, ali sigurni smo da postoji više vrsta rekombinacije povezane s defektima na sučelju. Moramo pokušati koristiti više molekula da se spoje i osiguraju da sve molekule rade zajedno bez uništavanja funkcija jedna drugoj."
