Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν μοριακές επαφές υψηλής εντροπίας που βελτιώνουν την απόδοση και τη θερμική σταθερότητα των ανεστραμμένων ηλιακών κυψελών περοβσκίτη, με πιστοποιημένη απόδοση σταθερής κατάστασης 27,31%
Κινέζοι ερευνητές ανέπτυξαν μοριακές επαφές υψηλής εντροπίας, οι οποίες επέτρεψαν σε ανεστραμμένες ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη να επιτύχουν πιστοποιημένη απόδοση σταθερής κατάστασης 27,31%.
Η προσέγγιση βελτιώνει επίσης τη θερμική σταθερότητα, αποτρέποντας την υποβάθμιση των μοριακών επαφών.
Η βελτίωση της απόδοσης μετατροπής ισχύος και της μακροχρόνιας λειτουργικής σταθερότητας εξακολουθεί να αποτελεί βασική πρόκληση για τις ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη, εν μέρει λόγω της θερμικής αστάθειας των συμβατικών μοριακών επαφών.
Υπό θερμική καταπόνηση, οι μοριακές επαφές ενός συστατικού μπορούν να χάσουν την οργανωμένη μοριακή τους διάταξη, υποβαθμίζοντας τη μεταφορά οπών και επιταχύνοντας την υποβάθμιση της συσκευής.
Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, ερευνητές στην Κίνα ανέπτυξαν μοριακές επαφές υψηλής εντροπίας (HE-MCs), σχεδιασμένες να βελτιώνουν τόσο την απόδοση της συσκευής όσο και τη λειτουργική σταθερότητά της.
«Η ανάπτυξη διάταξης υψηλής εντροπίας σε συστήματα αυτοσυναρμολογούμενων μορίων επιλεκτικής μεταφοράς οπών (HSM), με στόχο την αποτροπή της κατάρρευσης των μοριακών επαφών (MC), παραμένει ανεξερεύνητη», ανέφεραν οι ερευνητές.
«Η βασική πρόκληση είναι η εξισορρόπηση της οργανωμένης αυτοσυναρμολόγησης των HSM με τη δομική πολυπλοκότητα υψηλής εντροπίας, διατηρώντας παράλληλα την αποτελεσματική μεταφορά οπών».
Οι ερευνητές ανέφεραν ότι η προσέγγισή τους περιλαμβάνει την ανάμειξη αρκετών ειδικά σχεδιασμένων HSM με παρόμοιες χημικές δομές, αλλά με μη κεντροσυμμετρικές μονάδες, ώστε να προωθείται η δημιουργία σύνθετης μοριακής στοίβαξης.
Η ανάμειξη των μορίων αυξάνει τη διαμορφωτική αταξία και επιτρέπει τον σχηματισμό HE-MCs στη διεπιφάνεια επιλεκτικής μεταφοράς οπών.
Η ερευνητική ομάδα κατασκεύασε ανεστραμμένες ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη χρησιμοποιώντας μια μοριακή επαφή αποτελούμενη από τρία συγγενικά μόρια με βάση το καρβαζόλιο: CbzNaph, CbzNaphBF και CbzNaphBT.
Τα δύο τελευταία ενσωματώνουν μονάδες που περιέχουν οξυγόνο και θείο, αντίστοιχα, με αποτέλεσμα διαφορετικές διαμοριακές αλληλεπιδράσεις και διατάξεις στοίβαξης.
Οι ερευνητές ανέμειξαν τα μόρια σε μοριακή αναλογία 1:1:1, εναπόθεσαν το διάλυμα με περιστροφική επίστρωση σε καθαρισμένα γυάλινα υποστρώματα οξειδίου του κασσιτέρου εμπλουτισμένου με φθόριο (FTO) και το ανόπτησαν στους 100°C για 10 λεπτά, ώστε να σχηματιστεί η επαφή επιλεκτικής μεταφοράς οπών.
Στη συνέχεια, εναπόθεσαν ένα απορροφητικό στρώμα περοβσκίτη με ενεργειακό χάσμα 1,55 eV, χρησιμοποιώντας διαδικασία περιστροφικής επίστρωσης δύο σταδίων με χλωροβενζόλιο ως αντιδιαλύτη, και ακολούθησε ανόπτηση στους 100°C για 30 λεπτά.
Μετά την παθητικοποίηση της επιφάνειας, εναπόθεσαν ένα στρώμα φουλερενίου (C60) πάχους 30 nm μέσω θερμικής εξάτμισης, ένα στρώμα οξειδίου του κασσιτέρου (SnO₂) πάχους 40 nm μέσω εναπόθεσης ατομικών στρωμάτων και ένα οπίσθιο ηλεκτρόδιο χαλκού πάχους 100 nm μέσω θερμικής εξάτμισης.
Οι ερευνητές εφάρμοσαν επίσης μια επίστρωση φθοριούχου μαγνησίου πάχους 120 nm στην πίσω πλευρά του γυάλινου υποστρώματος, για να μειώσουν τις απώλειες λόγω ανάκλασης. Η κυψέλη που προέκυψε είχε την αρχιτεκτονική FTO/HE-MCs/περοβσκίτης/C60/SnO₂/Cu.
Η ομάδα χρησιμοποίησε προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού της πυκνότητας και δομικές και φασματοσκοπικές μετρήσεις, για να διερευνήσει τη μοριακή διάταξη και τη μεταφορά φορτίου πριν και μετά τη θερμική γήρανση.
Αξιολόγησε επίσης τις ολοκληρωμένες συσκευές μέσω μετρήσεων απόδοσης, παρατεταμένης έκθεσης στους 85°C, θερμικών κύκλων μεταξύ θερμοκρασίας δωματίου και 85°C, καθώς και παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος υπό συνεχή φωτισμό ισοδύναμο με έναν ήλιο, στους 85°C.
«Οι συσκευές που βασίζονται σε HE-MC παρουσίασαν βελτίωση της μέσης απόδοσης μετατροπής ισχύος (PCE) από 26,37% σε 27,29% σε σύγκριση με τη συσκευή που βασίζεται σε CbzNaph, συνοδευόμενη από αύξηση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (VOC) και του συντελεστή πλήρωσης (FF), γεγονός που μπορεί να αποδοθεί στην ενισχυμένη επιλεκτικότητα μεταφοράς οπών και στην παθητικοποίηση της διεπιφάνειας», ανέφεραν οι ερευνητές.
Η συσκευή με την υψηλότερη απόδοση πέτυχε απόδοση μετατροπής ισχύος 27,50% υπό συνθήκες αντίστροφης σάρωσης, με τάση ανοιχτού κυκλώματος 1,202 V, πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος 26,40 mA/cm² και συντελεστή πλήρωσης 86,67%. Οι ερευνητές ανέφεραν αμελητέα υστέρηση υπό συνθήκες ορθής σάρωσης.
Η συσκευή πέτυχε επίσης ολοκληρωμένη πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος 25,72 mA/cm², βάσει μετρήσεων εξωτερικής κβαντικής απόδοσης, σε καλή συμφωνία με την πυκνότητα ρεύματος που προέκυψε από τις μετρήσεις ρεύματος-τάσης. Το Ινστιτούτο Μετρολογικής Εποπτείας και Δοκιμών της Τιαντζίν πιστοποίησε ανεξάρτητα απόδοση σταθερής κατάστασης 27,31% για μία από τις κατασκευασμένες κυψέλες.
Το πιστοποιημένο αποτέλεσμα είναι ελαφρώς χαμηλότερο από την απόδοση 27,41% που αναφέρθηκε τον Μάιο του 2026 για μια ανεστραμμένη ηλιακή κυψέλη περοβσκίτη, η οποία κατασκευάστηκε από ερευνητές με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο Normal της Σαανσί στην Κίνα, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Λινσέπινγκ στη Σουηδία και άλλα ιδρύματα. Το προηγούμενο αποτέλεσμα, που δημοσιεύθηκε στο Nature, πιστοποιήθηκε υπό συνθήκες αντίστροφης σάρωσης.
Οι ερευνητές παρουσίασαν τα ευρήματά τους στη μελέτη «Οι μοριακές επαφές υψηλής εντροπίας επιτρέπουν ηλιακές κυψέλες περοβσκίτη υψηλής απόδοσης και σταθερότητας», η οποία δημοσιεύθηκε στο Nature Photonics.
Η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε επιστήμονες από το City University of Hong Kong στην Κίνα, το Πανεπιστήμιο Jilin και το Πανεπιστήμιο Sun Yat-sen.
www.worldenergynews.gr
