ΘΕΜΑΤΑ:ΕνέργειαΕπιστήμη υλικώνΗλιακό Κύτταρο PerovskiteΦωτοβολταϊκάΗλιακά κύτταρα
Ένας νέος τύπος ηλιακής τεχνολογίας φαινόταν πολλά υποσχόμενος τα τελευταία χρόνια.Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη αλογονιδίου είναι τόσο υψηλής απόδοσης όσο και χαμηλού κόστους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας – δύο απαραίτητα συστατικά για κάθε επιτυχημένη ηλιακή τεχνολογία του μέλλοντος.Αλλά τα νέα υλικά ηλιακών κυψελών θα πρέπει επίσης να ταιριάζουν με τη σταθερότητα των ηλιακών κυψελών με βάση το πυρίτιο, τα οποία διαθέτουν αξιοπιστία για περισσότερα από 25 χρόνια.
Σε πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνα, μια ομάδα με επικεφαλής τον Juan-Pablo Correa-Baena, επίκουρο καθηγητή στη Σχολή Επιστημών και Μηχανικής Υλικών στο Georgia Tech, δείχνει ότι οι ηλιακές κυψέλες αλογονιδίου περοβσκίτη είναι λιγότερο σταθερές από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.Η εργασία τους αποκαλύπτει τη θερμική αστάθεια που συμβαίνει στα στρώματα διεπαφής των κυψελών, αλλά προσφέρει επίσης μια πορεία προς την αξιοπιστία και την αποτελεσματικότητα της ηλιακής τεχνολογίας αλογονιδίου περοβσκίτη.Η έρευνά τους, που δημοσιεύτηκε ως εξώφυλλο για το περιοδικόΠροηγμένα Υλικάτον Δεκέμβριο του 2022, έχει άμεσες επιπτώσεις τόσο για τους ακαδημαϊκούς όσο και για τους επαγγελματίες του κλάδου που εργάζονται με περοβσκίτες στα φωτοβολταϊκά, έναν τομέα που ασχολείται με τα ηλεκτρικά ρεύματα που παράγονται από το ηλιακό φως.
Οι ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη αλογονιδίου μολύβδου υπόσχονται ανώτερη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια.Επί του παρόντος, η πιο κοινή στρατηγική για την εξαγωγή υψηλής απόδοσης μετατροπής από αυτά τα κύτταρα είναι η επεξεργασία των επιφανειών τους με μεγάλα θετικά φορτισμένα ιόντα γνωστά ως κατιόντα.
Αυτά τα κατιόντα είναι πολύ μεγάλα για να χωρέσουν στο πλέγμα ατομικής κλίμακας περοβσκίτη και, κατά την προσγείωση στον κρύσταλλο περοβσκίτη, αλλάζουν τη δομή του υλικού στη διεπιφάνεια όπου εναποτίθενται.Τα προκύπτοντα ελαττώματα ατομικής κλίμακας περιορίζουν την αποτελεσματικότητα της εξαγωγής ρεύματος από το ηλιακό στοιχείο.Παρά την επίγνωση αυτών των δομικών αλλαγών, η έρευνα για το εάν τα κατιόντα είναι σταθερά μετά την εναπόθεση είναι περιορισμένη, αφήνοντας ένα κενό στην κατανόηση μιας διαδικασίας που θα μπορούσε να επηρεάσει τη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα των ηλιακών κυψελών αλογονιδίου περοβσκίτη.
«Η ανησυχία μας ήταν ότι κατά τη διάρκεια μεγάλων περιόδων λειτουργίας ηλιακών κυψελών η ανακατασκευή των διεπαφών θα συνεχιζόταν», δήλωσε η Correa-Baena.«Έτσι, προσπαθήσαμε να κατανοήσουμε και να δείξουμε πώς συμβαίνει αυτή η διαδικασία με την πάροδο του χρόνου».
Για να πραγματοποιήσει το πείραμα, η ομάδα δημιούργησε ένα δείγμα ηλιακής συσκευής χρησιμοποιώντας τυπικές μεμβράνες περοβσκίτη.Η συσκευή διαθέτει οκτώ ανεξάρτητα ηλιακά κύτταρα, τα οποία επιτρέπουν στους ερευνητές να πειραματιστούν και να δημιουργήσουν δεδομένα με βάση την απόδοση κάθε κυψέλης.Διερεύνησαν πώς θα λειτουργούσαν τα κύτταρα, τόσο με όσο και χωρίς την κατιόντα επιφανειακή επεξεργασία, και μελέτησαν τις τροποποιημένες με κατιόντα διεπαφές κάθε κυττάρου πριν και μετά από παρατεταμένη θερμική καταπόνηση χρησιμοποιώντας τεχνικές χαρακτηρισμού ακτίνων Χ με βάση το σύγχροτρο.
Αρχικά, οι ερευνητές εξέθεσαν τα προκατεργασμένα δείγματα στους 100 βαθμούςΚελσίουγια 40 λεπτά, και στη συνέχεια μέτρησαν τις αλλαγές τους στη χημική σύνθεση χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ.Χρησιμοποίησαν επίσης έναν άλλο τύπο τεχνολογίας ακτίνων Χ για να διερευνήσουν ακριβώς τι είδους κρυσταλλικές δομές σχηματίζονται στην επιφάνεια του φιλμ.Συνδυάζοντας τις πληροφορίες από τα δύο εργαλεία, οι ερευνητές θα μπορούσαν να οπτικοποιήσουν πώς τα κατιόντα διαχέονται στο πλέγμα και πώς η δομή της διεπαφής αλλάζει όταν εκτίθεται στη θερμότητα.
Στη συνέχεια, για να κατανοήσουν πώς οι δομικές αλλαγές που προκαλούνται από κατιόντα επηρεάζουν την απόδοση των ηλιακών κυττάρων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία συσχέτισης διέγερσης σε συνεργασία με τον Carlos Silva, καθηγητή φυσικής και χημείας στο Georgia Tech.Η τεχνική εκθέτει τα δείγματα των ηλιακών κυττάρων σε πολύ γρήγορους παλμούς φωτός και ανιχνεύει την ένταση του φωτός που εκπέμπεται από το φιλμ μετά από κάθε παλμό για να κατανοήσει πώς χάνεται η ενέργεια από το φως.Οι μετρήσεις επιτρέπουν στους ερευνητές να κατανοήσουν ποια είδη επιφανειακών ελαττωμάτων είναι επιζήμια για την απόδοση.
Τέλος, η ομάδα συσχέτισε τις αλλαγές στη δομή και τις οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες με τις διαφορές στην απόδοση των ηλιακών κυψελών.Μελέτησαν επίσης τις αλλαγές που προκαλούνται από τις υψηλές θερμοκρασίες σε δύο από τα πιο χρησιμοποιούμενα κατιόντα και παρατήρησαν τις διαφορές στη δυναμική στις διεπαφές τους.
«Η εργασία μας αποκάλυψε ότι υπάρχει ανησυχία για αστάθεια που προκαλείται από τη θεραπεία με ορισμένα κατιόντα», δήλωσε ο Carlo Perini, ένας ερευνητής στο εργαστήριο του Correa-Baena και ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας.«Αλλά τα καλά νέα είναι ότι, με την κατάλληλη μηχανική του επιπέδου διεπαφής, θα δούμε βελτιωμένη σταθερότητα αυτής της τεχνολογίας στο μέλλον».
Οι ερευνητές έμαθαν ότι οι επιφάνειες των μεμβρανών περοβσκίτη αλογονιδίου μετάλλου που έχουν υποστεί επεξεργασία με οργανικά κατιόντα συνεχίζουν να εξελίσσονται σε δομή και σύνθεση υπό θερμική καταπόνηση.Είδαν ότι οι προκύπτουσες αλλαγές ατομικής κλίμακας στη διεπαφή μπορεί να προκαλέσουν σημαντική απώλεια στην απόδοση μετατροπής ισχύος στα ηλιακά κύτταρα.Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι η ταχύτητα αυτών των αλλαγών εξαρτάται από τον τύπο των κατιόντων που χρησιμοποιούνται, υποδηλώνοντας ότι οι σταθερές διεπαφές μπορεί να είναι εφικτές με επαρκή μηχανική των μορίων.
«Ελπίζουμε ότι αυτή η εργασία θα αναγκάσει τους ερευνητές να δοκιμάσουν αυτές τις διεπαφές σε υψηλές θερμοκρασίες και να αναζητήσουν λύσεις στο πρόβλημα της αστάθειας», δήλωσε ο Correa-Baena.«Αυτή η εργασία θα πρέπει να κατευθύνει τους επιστήμονες προς τη σωστή κατεύθυνση, σε έναν τομέα όπου μπορούν να επικεντρωθούν προκειμένου να δημιουργήσουν πιο αποτελεσματικές και σταθερές ηλιακές τεχνολογίες».