Източник: oist.jp
Изследователи от Университета на Окинава Институт за наука и технологии (OIST) създадоха слънчеви модули от ново поколение с висока ефективност и добра стабилност. Изработени с помощта на вид материал, наречен перовскити, тези соларни модули могат да поддържат висока производителност за повече от 2000 часа. Техните констатации, докладвани на 20 юли 2020 г. във водещото списание Nature Energy, увеличиха перспективите за комерсиализация.
Перовскитите имат потенциал да революционизират индустрията за слънчеви технологии. Гъвкави и леки, те обещават повече гъвкавост в сравнение с тежките и твърди клетки на основата на силиций, доминиращи на пазара. Но учените трябва да преодолеят някои големи препятствия, преди перовскитите да могат да бъдат комерсиализирани.
„Има три условия, които перовскитите трябва да изпълняват: те трябва да бъдат евтини за производство, високоефективни и с дълъг живот“, каза проф. Ябинг Чи, ръководител на OISTОтдел „Енергийни материали и повърхностни науки“, който ръководи това проучване.
Демонстрация на слънчева клетка в Перовскит
Цената за направата на перовскитни слънчеви клетки е ниска, тъй като евтините суровини изискват малко енергия за обработка. И само за малко повече от десетилетие учените постигнаха огромен напредък в подобряването на това колко ефективно перовскитовите слънчеви клетки преобразуват слънчевата светлина в електричество, като нивата на ефективност вече са сравними с тези на клетки на базата на силиций.
Въпреки това, веднъж увеличени от малки слънчеви клетки до по-големи слънчеви модули, нивата на ефективност на перовскитите се понижават. Това е проблематично, тъй като търговските соларни технологии трябва да останат ефективни при размера на слънчевите панели, дълги няколко фута.
„Мащабирането е много взискателно; всички дефекти в материала стават по-изразени, така че се нуждаете от висококачествени материали и по-добри техники на изработка “, обясни д-р Луис Оно, съавтор на това проучване.
(Отляво) Отделът за енергийни материали и повърхностни науки OIST работи със слънчеви клетки и модули с различна големина. (Вдясно) В това проучване учените работеха със слънчеви модули 5 cm x 5 cm.
Нестабилността на перовскитите е друг ключов въпрос в интензивно разследване. Търговските соларни клетки трябва да могат да издържат години на експлоатация, но в момента перовскитните слънчеви клетки се разграждат бързо.
Изграждане на слоевете
Екипът на професор Ци, подкрепен от Програмата за доказване на концепцията на OIST за технологично развитие и иновации, се справи с тези проблеми със стабилността и ефективността, като използва нов подход. Слънчевите устройства Perovskite са съставени от множество слоеве - всеки със специфична функция. Вместо да се съсредоточат само върху един слой, те разгледаха цялостната производителност на устройството и как слоевете си взаимодействат един с друг.
Активният слой перовскит, който поглъща слънчевата светлина, се намира в центъра на устройството, притиснат между останалите слоеве. Когато фотоните на светлината удрят перовскитовия слой, отрицателно заредените електрони използват тази енергия и „скачат“ до по-високо енергийно ниво, оставяйки след себе си положително заредени „дупки“ там, където преди са били електроните. След това тези заряди се пренасочват в противоположни посоки в пластове за пренасяне на електрон и дупка над и под активния слой. Това създава поток - или електричество - който може да напусне слънчевото устройство чрез електроди. Устройството също е капсулирано от защитен слой, който намалява разграждането и предотвратява изтичането на токсични химикали в околната среда.
Перовскитските слънчеви клетки и модули се състоят от много слоеве, всеки от които има специфична функция. Учените добавиха или модифицираха слоевете, подчертани в оранжево.
В проучването учените са работили със соларни модули, които са 22,4 см2.
Учените първо подобриха интерфейса между активния слой на перовскит и електронно-транспортиращия слой, като добавиха химикал наречен EDTAK между двата слоя. Те откриха, че EDTAK пречи на електронния транспортен слой от калаен оксид да реагира с активния слой перовскит, повишавайки стабилността на слънчевия модул.
EDTAK също подобри ефективността на слънчевия модул перовскит по два различни начина. Първо, калият в EDTAK се премества в активния слой перовскит и „лекува“ малки дефекти по повърхността на перовскитите. Това попречи на тези дефекти да уловят подвижните електрони и дупки, позволявайки да се генерира повече електричество. EDTAK също повиши производителността, като повиши проводящите свойства на електронния транспортен слой от калаения оксид, като улесни събирането на електрони от перовскитния слой.
Учените направиха подобрени подобрения на интерфейса между активния слой перовскит и транспортиращия слой на дупките. Този път те добавиха тип перовскит, наречен EAMA между слоевете, което повиши способността транспортният слой за дупки да получава дупки.
Обработеното с EAMA устройство показа също по-добра стабилност при тестове за влажност и температура. Това се дължи на това как EAMA взаимодейства с повърхността на активния слой на перовскит, който представлява мозайка от кристални зърна. В слънчеви устройства без EAMA учените видяха, че на повърхността на активния слой се образуват пукнатини, които произлизат от границите между тези зърна. Когато учените добавиха EAMA, те забелязаха, че допълнителният материал от перовскит запълва границите на зърното и не позволява навлизането на влага, предотвратявайки образуването на тези пукнатини.
Екипът също модифицира самия слой за транспортиране на дупки чрез смесване на малко количество полимер, наречен PH3T. Този полимер повишава устойчивостта на влага, като осигурява на слоя водоотблъскващи свойства.
Полимерът също реши основен проблем, който по-рано възпрепятства подобренията на дългосрочната стабилност. Електродът отгоре на слънчевия модул перовскит е оформен от тънки ивици злато. Но с течение на времето мънички златни частици мигрират от електрода, през отвора за транспортиране на дупки и в активния слой перовскит. Това необратимо влошава работата на устройството.
Когато изследователите включиха PH3T, те откриха, че златните частици мигрират в устройството по-бавно, което значително увеличава живота на модула.
За окончателното си подобрение учените добавят тънък слой от полимера, парилен, в допълнение към стъклото, за да осигурят защитно покритие на слънчевия модул. С тази допълнителна защита соларните модули поддържат около 86% от първоначалните си показатели, дори и след 2000 часа постоянно осветяване.
В сътрудничество с д-р Саид Казауи от Националния институт за напреднали индустриални науки и технологии (AIST), екипът на OIST тестваше подобрените слънчеви модули и е постигнал ефективност от 16,6% - много висока ефективност за соларен модул с такъв размер. Сега изследователите се стремят да извършат тези модификации на по-големи слънчеви модули, водещи пътя към развитието на мащабни, търговски соларни технологии в бъдеще.
