Извор: оист.јп
Истраживачи са Академије за науку и технологију Окинавског института за науку и технологију (ОИСТ) створили су соларне модуле нове генерације са високом ефикасношћу и добром стабилношћу. Направљени употребом врсте материјала званог перовскитес, ови соларни модули могу одржавати високе перформансе преко 2000 сати. Њихови налази, објављени 20. јула 2020. у водећем часопису Натуре Енерги, увећали су изгледе комерцијализације.
Перовскити имају потенцијал револуције индустрије соларне технологије. Флексибилне и лагане, обећавају више разноврсности од тешких и крутих ћелија на бази силицијума који тренутно доминирају на тржишту. Али научници морају да преброде неке велике препреке пре него што се перовскити могу комерцијализовати.
"Постоје три услова које перовскити морају да испуне: морају бити јефтини за производњу, високо ефикасни и дуг животни век", рекао је професор Иабинг Ки, шеф ОИСТ-аЈединица за енергетске материјале и науке о површини, који је водио ову студију.
Демонстрација соларне ћелије Перовскита
Цена израде соларних ћелија из перовскита је ниска, јер за јефтине сировине је потребно мало енергије за прераду. И у само нешто више од деценије, научници су постигли огромне кораке у побољшавању ефикасности перовскитних соларних ћелија које претварају сунчеву светлост у електричну енергију, а ниво ефикасности сада је упоредив са нивоом ћелија на бази силицијума.
Међутим, једном када се повећа од сићушних соларних ћелија до већих соларних модула, нивои ефикасности перовскита опадају. Ово је проблематично јер комерцијална соларна технологија треба да остане ефикасна у величини соларних панела, дужине неколико стопа.
„Скалирање је веома захтевно; било какве оштећења на материјалу постају израженија па су вам потребни висококвалитетни материјали и боље технике израде “, објаснио је др. Луис Оно, коаутор ове студије.
(Лево) Јединица за енергетске материјале и површинске науке ОИСТ ради са соларним ћелијама и модулима различите величине. (Тачно) У овој студији научници су радили са соларним модулима величине 5 цм к 5 цм.
Нестабилност перовскита је још једно кључно питање које се интензивно истражује. Комерцијалне соларне ћелије морају бити у стању да издрже године рада, али тренутно перовските соларне ћелије брзо пропадају.
Изградња слојева
Тим професора Кија, подржан програмом пробног концепта ОИСТ за развој технологије и иновације, бавио се овим питањима стабилности и ефикасности, користећи нови приступ. Соларни уређаји Перовските сачињени су од више слојева - сваки са специфичном функцијом. Уместо да се фокусирају на само један слој, гледали су на укупне перформансе уређаја и на то како слојеви међусобно делују.
Активни слој перовскита, који апсорбује сунчеву светлост, лежи у центру уређаја, залепљен између осталих слојева. Када фотони светлости ударију у слој перовскита, негативно наелектрисани електрони искориштавају ту енергију и „скачу“ на виши ниво енергије, остављајући иза себе позитивно наелектрисане „рупе“ где су електрони некада били. Ови набоји се затим преусмеравају у супротним смеровима у слојеве за транспорт електрона и рупа изнад и испод активног слоја. То ствара проток набоја - или електричне енергије - који може напустити соларни уређај путем електрода. Уређај је такође капсулиран заштитним слојем који смањује разградњу и спречава продирање токсичних хемикалија у околину.
Перовските соларне ћелије и модули састоје се од многих слојева од којих сваки има специфичну функцију. Научници су додали или модификовали слојеве означене наранџастом бојом.
У студији су научници радили са соларним модулима од 22,4 цм2.
Научници су прво побољшали интерфејс између активног слоја перовскита и преноса електрона додавањем хемикалије зване ЕДТАК између два слоја. Открили су да је ЕДТАК спречио транспортни слој електрона коситриног оксида да реагира са активним слојем перовскита, повећавајући стабилност соларног модула.
ЕДТАК је такође побољшао ефикасност соларног модула перовскита на два различита начина. Прво, калијум у ЕДТАК-у се преселио у активни слој перовскита и „зацелио“ ситне недостатке на површини перовскита. То је спречило ове недостатке да заробе покретне електроне и рупе, омогућавајући више електричне енергије. ЕДТАК је такође повећао перформансе побољшавајући проводне особине електронског транспортног слоја калај-оксида, олакшавајући сакупљање електрона из перовскитног слоја.
Научници су направили слична побољшања у интерфејсу између активног слоја перовскита и слоја за транспорт отвора. Овог пута, додали су тип перовскита названог ЕАМА између слојева, који је повећао способност преноса рупа за отворе.
Уређај третиран ЕАМА-ом такође је показао бољу стабилност на тестовима влажности и температуре. То је због начина на који је ЕАМА интерактивно дјеловала на површини активног слоја перовскита, који је мозаик кристалних зрнаца. На соларним уређајима без ЕАМА научници су видели да на површини активног слоја настају пукотине, које потичу од граница између ових зрна. Када су научници додали ЕАМА, приметили су да додатни перовскитни материјал испуњава границе зрна и спречава улазак влаге, спречавајући стварање ових пукотина.
Тим је такође модификовао сам слој за транспорт рупа, мешањем у малој количини полимера који се зове ПХ3Т. Овај полимер је повећао отпорност на влагу пружајући слоју водоодбојна својства.
Полимер је такође решио главно питање које је претходно ометало побољшања дугорочне стабилности. Електрода на врху перовскит соларног модула формирана је од танких златних трака. Али с временом, ситне златне честице мигрирају из електроде, кроз слој за транспорт рупа и у активни слој перовскита. Ово неповратно смањује рад уређаја.
Када су истраживачи уградили ПХ3Т, открили су да честице злата мигрирају у уређај што је знатно повећало животни век модула.
За своје коначно побољшање, научници су поред стакла додали и танки слој полимера, парилелена, како би обезбедили заштитни премаз соларном модулу. Са овом додатном заштитом, соларни модули су задржали око 86% својих почетних перформанси, чак и после 2000 сати сталног осветљења.
У сарадњи са др Саидом Казаоуијем из Националног института за напредну индустријску науку и технологију (АИСТ), ОИСТ тим је тестирао побољшане соларне модуле и добио ефикасност од 16,6% - што је веома висока ефикасност за соларни модул такве величине. Сада истраживачи имају за циљ да те модификације спроведу на већим соларним модулима, водећи пут ка развоју велике комерцијалне соларне технологије у будућности.
