Източник: news.northwestern.edu
Констатациите, публикувани днес (17 ноември) в списание Science, описват двумолекулно решение за преодоляване на загубите в ефективността, тъй като слънчевата светлина се преобразува в енергия. Чрез включването на първа молекула за справяне с нещо, наречено повърхностна рекомбинация, при което електроните се губят, когато са уловени от дефекти - липсващи атоми на повърхността, и втора молекула за прекъсване на рекомбинацията в интерфейса между слоевете, екипът постигна национален възобновяем Energy Lab (NREL) сертифицирана ефективност от 25,1%, докато по-ранните подходи достигаха ефективност от само 24,09%.
„Перовскитната слънчева технология се движи бързо и акцентът на изследванията и разработките се измества от абсорбера за насипни количества към интерфейсите“, каза професорът от Northwestern Тед Сарджънт. „Това е критичната точка за по-нататъшно подобряване на ефективността и стабилността и ни доближава до този обещаващ път към все по-ефективно събиране на слънчева енергия.“
Сарджънт е съизпълнителен директор на Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy (бивш ISEN) и мултидисциплинарен изследовател в областта на химията на материалите и енергийните системи, с назначения в катедрата по химия в Weinberg College of Arts and Sciences и катедра по електротехника и компютърно инженерство в Инженерното училище Маккормик.
Конвенционалните слънчеви клетки са направени от силициеви пластини с висока чистота, които са енергоемки за производство и могат да абсорбират само фиксиран диапазон от слънчевия спектър.
Перовскитни материали, чийто размер и състав могат да бъдат регулирани, за да "настроят" дължините на вълните на светлината, които абсорбират, което ги прави благоприятна и потенциално по-евтина, високоефективна нововъзникваща тандемна технология.
В исторически план перовскитните соларни клетки са били измъчвани от предизвикателства за подобряване на ефективността поради тяхната относителна нестабилност. През последните няколко години напредъкът от лабораторията на Сарджънт и други доведоха ефективността на перовскитните слънчеви клетки до същия диапазон като това, което е постижимо със силиций.
В настоящото изследване, вместо да се опитва да помогне на клетката да абсорбира повече слънчева светлина, екипът се фокусира върху въпроса за поддържането и задържането на генерираните електрони, за да увеличи ефективността. Когато перовскитният слой влезе в контакт с електронния транспортен слой на клетката, електроните се преместват от един към друг. Но електронът може да се движи обратно навън и да запълни, или да се „рекомбинира“ с дупки, които съществуват в перовскитния слой.
„Рекомбинацията на интерфейса е сложна“, каза първият автор Ченг Лиу, постдокторант в лабораторията на Сарджънт, която се ръководи съвместно от Чарлз Е. и Ема Х. Морисън, професор по химия Меркури Канацидис. „Много е трудно да се използва един тип молекула за справяне със сложната рекомбинация и задържане на електрони, така че обмислихме каква комбинация от молекули бихме могли да използваме, за да разрешим по-цялостно проблема.“
Минали изследвания от екипа на Сарджънт откриха доказателства, че една молекула, PDAI2, върши добра работа при решаването на рекомбинацията на интерфейса. След това те трябваше да намерят молекула, която да поправи повърхностните дефекти и да предотврати рекомбинирането на електрони с тях.
Чрез намирането на механизма, който би позволил на PDAI2 да работи с вторична молекула, екипът стеснява обхвата на сярата, която може да замени въглеродните групи - обикновено лоши в предотвратяването на движението на електрони - за покриване на липсващи атоми и потискане на рекомбинацията.
„При справянето с основните неефективности, открити в инвертираните перовскитни слънчеви клетки, които се дължат предимно на загуби от нерадиационна рекомбинация, се определя нов стандарт в ефективността на слънчевите клетки“, каза професорът от Северозападния университет Меркури Канацидис. „Това е основна илюстрация за това как областта на химията на съвременните материали може значително да подобри ефективността на преобразуване на енергия и дълготрайността на нововъзникващите перовскитни фотоволтаични технологии.“
Канацидис е водещ авторитет в областта на химията на материалите и устойчивите енергийни решения, с двойни назначения в катедрата по химия на Weinberg и катедрата по наука за материалите и инженерство на McCormick.
„Ние сме развълнувани, че нашата бимолекулярна стратегия показва приложимост към набор от състави на перовскит, включително тези, които са обещаващи за тандемни слънчеви клетки“, каза Бин Чен, научен асистент по химия и съавтор на статията.
Скорошна статия от същата група, публикувана в Nature, разработи покритие за субстрата под перовскитния слой, за да помогне на клетката да работи при по-висока температура за по-дълъг период. Това решение, според Лиу, може да работи в тандем с констатациите в научното издание.
Въпреки че екипът се надява, че техните открития ще насърчат по-голямата научна общност да продължи работата напред, те също ще работят върху последващи действия.
„Трябва да използваме по-гъвкава стратегия, за да разрешим сложния проблем с интерфейса“, каза Ченг. „Не можем да използваме само един вид молекула, както правеха хората преди. Ние използваме две молекули, за да разрешим два вида рекомбинация, но сме сигурни, че има повече видове свързана с дефект рекомбинация на интерфейса. Трябва да се опитаме да използваме повече молекули да се съберат и да се уверят, че всички молекули работят заедно, без да разрушават функциите си."
