Izvor: oist.jp
Istraživači s diplomskog sveučilišta Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) stvorili su solarne module nove generacije s visokom učinkovitošću i dobrom stabilnošću. Napravljeni korištenjem vrste materijala koji se naziva perovskites, ovi solarni moduli mogu održavati visoke performanse više od 2000 sati. Njihova otkrića, objavljena 20. srpnja 2020. u vodećem časopisu Nature Energy, uljepšala su izglede komercijalizacije.
Perovskiti imaju potencijal revolucije industrije solarne tehnologije. Fleksibilne i lagane, obećavaju više raznovrsnosti od teških i krutih ćelija na bazi silicija koje trenutno dominiraju na tržištu. No, znanstvenici moraju prevladati neke velike prepreke prije nego što se perovskiti mogu komercijalizirati.
„Tri su uvjeta koja perovskiti moraju ispuniti: moraju se proizvoditi jeftino, visoko učinkoviti i imati dug vijek trajanja“, rekao je profesor Yabing Qi, voditelj OIST-a.Odjel za energetske materijale i površinske znanosti, koji je vodio ovu studiju.
Demonstracija solarne ćelije Perovskita
Trošak izrade solarnih ćelija iz perovskita je nizak, jer jeftine sirovine zahtijevaju malo energije za obradu. I u samo nešto više od desetljeća, znanstvenici su postigli ogromne korake u poboljšanju učinkovitosti perovskitskih solarnih ćelija koje pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju, s razinama učinkovitosti koja je sada usporediva sa stanicama koje se temelje na siliciju.
No, jednom kada se povećao od sićušnih solarnih ćelija do većih solarnih modula, razina učinkovitosti perovskita opada. To je problematično jer komercijalna solarna tehnologija treba ostati učinkovita na veličini solarnih panela, duljine nekoliko stopa.
"Skaliranje je vrlo zahtjevno; bilo kakve nedostatke u materijalu postaju izraženije pa su vam potrebni visokokvalitetni materijali i bolje tehnike izrade ", objasnio je dr. Luis Ono, koautor ove studije.
(Lijevo) Jedinica za energetske materijale i površinske znanosti OIST radi sa solarnim ćelijama i modulima različitih veličina. (Desno) U ovoj su studiji znanstvenici radili sa solarnim modulima veličine 5 cm x 5 cm.
Nestabilnost perovskita je još jedno ključno pitanje koje se intenzivno istražuje. Komercijalne solarne ćelije moraju biti u stanju izdržati godine rada, ali trenutno perovskite solarne ćelije brzo propadaju.
Izgradnja slojeva
Tim profesora Qi-a, podržan programom Programskog koncepta OIST tehnologije i inovacijskog centra, bavio se ovim pitanjima stabilnosti i učinkovitosti, novim pristupom. Sorovni uređaji Perovskite sastoje se od više slojeva - svaki sa specifičnom funkcijom. Umjesto da se usredotoče na samo jedan sloj, gledali su na ukupne performanse uređaja i kako slojevi međusobno djeluju.
Aktivni sloj perovskita, koji apsorbira sunčevu svjetlost, nalazi se u središtu uređaja, iskrivljen između ostalih slojeva. Kad fotoni svjetlosti udaraju u sloj perovskita, negativno nabijeni elektroni iskorištavaju tu energiju i „skaču“ na višu energetsku razinu, ostavljajući iza sebe pozitivno nabijene „rupe“ gdje su nekada bili elektroni. Ti se naboji preusmjeravaju u suprotnim smjerovima u slojeve za transport elektrona i rupa iznad i ispod aktivnog sloja. To stvara protok naboja - ili električne energije - koji solarnim uređajem može napustiti elektrode. Uređaj je također obložen zaštitnim slojem koji smanjuje razgradnju i sprečava prodiranje toksičnih kemikalija u okoliš.
Perovskite solarne ćelije i moduli sastoje se od mnogih slojeva od kojih svaki ima specifičnu funkciju. Znanstvenici su dodali ili modificirali slojeve označene narančastom bojom.
U istraživanju su znanstvenici radili sa solarnim modulima od 22,4 cm2.
Znanstvenici su prvo poboljšali sučelje aktivnog sloja perovskita i sloja prenosa elektrona dodavanjem kemikalije zvane EDTAK između dva sloja. Otkrili su da je EDTAK spriječio da transportni sloj elektrona kositrenog oksida reagira s aktivnim slojem perovskita, povećavajući stabilnost solarnog modula.
EDTAK je također poboljšao učinkovitost solarnog modula perovskita na dva različita načina. Prvo, kalij u EDTAK-u prešao je u aktivni sloj perovskita i „zacijelio“ sitne nedostatke na površini perovskita. To je spriječilo te nedostatke da uhvate pokretne elektrone i rupe, omogućujući više energije. EDTAK je također povećao radne karakteristike poboljšavajući provodna svojstva elektronskog transportnog sloja kositrinog oksida, olakšavajući prikupljanje elektrona iz perovskitnog sloja.
Znanstvenici su napravili slična poboljšanja na sučelju između aktivnog sloja perovskita i sloja za transport rupa. Ovaj su put dodali vrstu perovskita nazvanog EAMA između slojeva, što je poboljšalo sposobnost transportnog sloja za rupe da prima rupe.
Uređaj tretiran EAMA-om također je pokazao bolju stabilnost pri ispitivanju vlage i temperature. To je zbog načina na koji je EAMA utjecala na površinu aktivnog sloja perovskita, koji je mozaik kristalnih zrnaca. Na solarnim uređajima bez EAMA-e znanstvenici su vidjeli da na površini aktivnog sloja nastaju pukotine, koje potječu od granica tih zrna. Kada su znanstvenici dodali EAMA, primijetili su da dodatni perovskitni materijal ispunjava granice zrna i sprečava ulazak vlage, sprečavajući stvaranje ovih pukotina.
Tim je također izmijenio sam transportni sloj rupa miješanjem u maloj količini polimera koji se zove PH3T. Ovaj polimer povećava otpornost na vlagu pružajući sloju svojstva vodoodbojnosti.
Polimer je također riješio glavno pitanje koje je prethodno ometalo poboljšanja dugoročne stabilnosti. Elektroda na vrhu perovskitnog solarnog modula oblikovana je od tankih zlatnih traka. Ali s vremenom, sitne čestice zlata migriraju iz elektrode, kroz sloj za transport rupa i u aktivni sloj perovskita. To nepovratno smanjuje rad uređaja.
Kada su istraživači ugradili PH3T, otkrili su da čestice zlata polako migriraju u uređaj, što značajno povećava životni vijek modula.
Za njihovo konačno poboljšanje, znanstvenici su dodali tanki sloj polimera, parilelen, osim stakla, kako bi osigurali zaštitni premaz solarnom modulu. S ovom dodatnom zaštitom, solarni moduli zadržali su oko 86% svojih početnih performansi, čak i nakon 2000 sati stalnog osvjetljenja.
U suradnji s dr. Saidom Kazaouijem na Nacionalnom institutu za naprednu industrijsku znanost i tehnologiju (AIST), OIST-ov tim testirao je poboljšane solarne module i postigao učinkovitost od 16,6% - što je vrlo visoka učinkovitost za solarni modul takve veličine. Sada istraživači imaju za cilj provesti ove izmjene na većim solarnim modulima, vodeći put ka razvoju velike komercijalne solarne tehnologije u budućnosti.
