Τα υλικά περοβσκίτη με εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα είναι κρίσιμης σημασίας για ηλιακές κυψέλες υψηλής απόδοσης με τριπλή διάταξη
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Nanjing στην Κίνα και συνεργαζόμενα ιδρύματα ανέπτυξαν μια νέα στρατηγική επεξεργασίας για την αντιμετώπιση ενός σημαντικού προβλήματος απόδοσης στις μονολιθικές ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη τριπλής ένωσης.
Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε μια στρατηγική ανακατασκευής της επιφάνειας και ομογενοποίησης των αλογονιδίων για την αντιμετώπιση ζητημάτων που περιορίζουν την απόδοση σε φιλμ περοβσκίτη με εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα (UWBG) 2,0 eV.
Αυτό οδήγησε στην ανάπτυξη μιας ηλιακής κυψέλης περοβσκίτη τριπλής ένωσης με εντυπωσιακή απόδοση μετατροπής ισχύος 30,1% (πιστοποιημένη στο 29,3%). Σύμφωνα με τη μελέτη, αυτός ο ολοκληρωμένος σχεδιασμός λειτουργεί με υψηλή σταθερότητα υπό συνεχή χρήση και θα μπορούσε να ωθήσει τις αποδόσεις των μελλοντικών πολυστρωματικών ηλιακών κυψελών πάνω από το 35%.
Νέα στρατηγική κατασκευής
Τα τυπικά πάνελ πυριτίου κυριαρχούν σήμερα στη βιομηχανία ηλιακής ενέργειας, αλλά αντιμετωπίζουν φυσικά όρια που περιορίζουν την ποσότητα ηλιακού φωτός που μπορούν να μετατρέψουν σε ενέργεια. Οι περοβσκίτες προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική, καθώς αυτά τα συνθετικά υλικά μπορούν να τοποθετηθούν σε στρώσεις ώστε να απορροφούν αποτελεσματικότερα ένα ευρύτερο φάσμα μηκών κύματος σε όλο το ηλιακό φάσμα.
Για να συλλάβουν το ηλιακό φως υψηλής ενέργειας, οι επιστήμονες κατασκευάζουν φιλμ περοβσκίτη με εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα (2,0 eV), πλούσια σε βρωμίδιο. Όμως η υψηλή περιεκτικότητα σε βρωμίδιο συμπεριφέρεται απρόβλεπτα κατά την κατασκευή. Η άνω επιφάνεια στεγνώνει και κρυσταλλοποιείται πρώτη. Το κάτω μέρος παραμένει υγρό.
Αυτή η αναντιστοιχία δημιουργεί ένα άκαμπτο εξωτερικό περίβλημα πάνω από έναν ρευστό πυρήνα, προκαλώντας στο φιλμ ρυτίδωση, ρωγμές και διαχωρισμό των χημικών συστατικών του. Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια σπαταλάται και προκύπτουν σοβαρές απώλειες τάσης.
Οι ερευνητές έλυσαν αυτό το πρόβλημα δημιουργώντας μια διπλή τεχνική επεξεργασίας που λειαίνει την επιφάνεια του υλικού και ελέγχει τον τρόπο με τον οποίο σχηματίζονται οι κρύσταλλοι. Έλυσε το πρόβλημα της ανομοιόμορφης ξήρανσης συνδυάζοντας ένα στοχευμένο λουτρό διαλύτη με μια μικρή ποσότητα πρόσθετου χλωριούχου ολεϋλαμμωνίου.
Η ισορροπημένη επεξεργασία με διαλύτη αναδιαμορφώνει και ισοπεδώνει το ανώτερο στρώμα, ενώ η προσθήκη χλωρίου αναγκάζει τα συστατικά βρωμιδίου και ιωδιδίου να κρυσταλλοποιηθούν ταυτόχρονα. Αυτή η συνδυασμένη προσέγγιση αποτρέπει την πρόωρη σκλήρυνση της επιφάνειας, δημιουργώντας ένα ομαλό και δομικά ομοιόμορφο φιλμ σε ολόκληρο το υλικό.
Ενθαρρυντικά αποτελέσματα στις δοκιμές
Μια μονολιθική κυψέλη τριπλής ένωσης συνδυάζει τρία διασυνδεδεμένα στρώματα απορρόφησης φωτός, καθένα σχεδιασμένο με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα ώστε να στοχεύει διαφορετικά τμήματα του ηλιακού φάσματος.
Η εξάλειψη των ρυτίδων στην επιφάνεια και των δομικών ελαττωμάτων οδήγησε στη βελτιστοποίηση και των τριών στρωμάτων της ηλιακής κυψέλης για τη μέγιστη συλλογή ενέργειας. Η άνω υποκυψέλη των 2,0 eV πέτυχε υψηλή τάση ανοικτού κυκλώματος 1,46 V, σε συνδυασμό με ένα μεσαίο στρώμα 1,60 eV για αντιστοίχιση με το φάσμα και ένα κάτω στρώμα 1,22 eV για απορρόφηση στο βαθύ υπέρυθρο.
Συνολικά, αυτή η μονολιθική διάταξη τριπλής ένωσης απέδωσε ρεκόρ απόδοσης μετατροπής ισχύος 30,1%, η οποία πιστοποιήθηκε ανεξάρτητα στο 29,3%.
«Τα προκύπτοντα φιλμ περοβσκίτη UWBG παρουσιάζουν ομοιόμορφο επιφανειακό δυναμικό, καταστολή του μη ακτινοβολούμενου επανασυνδυασμού, βελτιωμένη κινητικότητα φορέων και τάση ανοικτού κυκλώματος 1,46 V», σημείωσαν οι ερευνητές.
Λειτουργεί και μάλιστα διαρκεί. Σύμφωνα με τις αναφορές, η ολοκληρωμένη κυψέλη διατήρησε πάνω από το 90% της αρχικής της απόδοσης μετά από 569 ώρες συνεχούς λειτουργίας στη μέγιστη ισχύ υπό προσομοιωμένο ηλιακό φωτισμό.
Μετά την ολοκλήρωση των αρχικών εργαστηριακών δοκιμών, η ομάδα στοχεύει στη μείωση των απωλειών τάσης και συντελεστή πλήρωσης, στη βελτίωση της αντιστοίχισης ρεύματος και στην αύξηση του μεγέθους των συσκευών για μεγαλύτερες εφαρμογές. Μελλοντικές μελέτες θα μετατοπίσουν το ενδιαφέρον από τις αρχικές μετρήσεις απόδοσης στην αξιολόγηση της απόδοσης των μονάδων υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας, με ιδιαίτερη έμφαση στην ανθεκτικότητα έναντι ακτινοβολίας, υπεριώδους ακτινοβολίας, κενού και θερμικών κύκλων για πιθανές διαστημικές αποστολές.
Και επειδή δεν απαιτεί βαριά πλακίδια πυριτίου, ανοίγει τον δρόμο για εξαιρετικά ελαφριές, εύκαμπτες ηλιακές μονάδες σχεδιασμένες για εμπορικές στέγες, φορητά ηλεκτρονικά και δορυφορικές εφαρμογές.
www.worldenergynews.gr
