منبع: oist.jp
محققان دانشگاه فارغ التحصیلان علوم و فناوری Okinawa (OIST) ماژول های خورشیدی نسل بعدی را با راندمان بالا و پایداری خوب ایجاد کرده اند. این ماژول های خورشیدی با استفاده از نوعی از مواد به نام پراووسیت ها ساخته شده و می توانند بیش از 2000 ساعت کارایی بالایی را حفظ کنند. یافته های آنها ، که از 20 ژوئیه 2020 در مجله پیشرو ، طبیعت انرژی گزارش شده است ، چشم انداز تجاری سازی را روشن تر کرده است.
پروسکایت ها توانایی تحول در صنعت فن آوری خورشیدی را دارند. انعطاف پذیر و سبک وزن ، آنها نوید بخش تر از سلول های سنگین و سفت و محکم مبتنی بر سیلیکون هستند که در حال حاضر بر بازار حاکم هستند. اما دانشمندان باید قبل از تجاری شدن پروروسکیتها بر برخی موانع اساسی غلبه کنند.
پروفسور یابینگ چی ، رئیس OIST گفت: "سه شرط وجود دارد که پروسکایت ها باید برآورده شوند: آنها باید ارزان قیمت باشند ، بسیار کارآمد باشند و طول عمر بالاتری داشته باشند."واحد انرژی و واحد علوم سطح، که رهبری این مطالعه را بر عهده داشته است.
تظاهرات یک سلول خورشیدی Perovskite
هزینه ساخت سلولهای خورشیدی پوروسکایت کم است ، زیرا مواد اولیه ارزان برای پردازش نیاز به انرژی کمی دارند. و در طی بیش از یک دهه ، دانشمندان گام های بلندی را در بهبود چگونگی تبدیل سلولهای خورشیدی پراسکایت به تابش خورشید به الکتریسیته برداشته اند ، با سطح کارآیی که اکنون با سلول های مستقر در سیلیکون قابل مقایسه است.
با این حال ، هنگامی که از سلول های خورشیدی کوچک به ماژول های خورشیدی بزرگتر کاهش یافته ، سطح راندمان پروکوسکیت ها کاهش می یابد. این مسئله مشکل ساز است زیرا فناوری خورشیدی تجاری باید در اندازه صفحات خورشیدی به طول چندین فوت کارآمد بماند.
"مقیاس بندی بسیار خواستار است؛ هرگونه نقص در مواد بیشتر می شود بنابراین شما به مواد باکیفیت و تکنیک های ساخت بهتر احتیاج دارید. "
(سمت چپ) واحد انرژی و علوم سطحی انرژی OIST با سلول های خورشیدی و ماژول هایی با اندازه متفاوت کار می کند. (درست) در این مطالعه دانشمندان با ماژول های خورشیدی 5 سانتی متر x 5 سانتی متر کار کردند.
ناپایداری پروسکایت ها مسئله مهم دیگری است که تحت بررسی های جدی قرار گرفته است. سلولهای خورشیدی تجاری باید قادر به تحمل سالها کار باشند ، اما در حال حاضر سلولهای خورشیدی پرووسکایت به سرعت تخریب می شوند.
ایجاد لایه ها
تیم استاد چی با حمایت برنامه توسعه و نوآوری فناوری OIST مرکز اثبات مفهوم ، این موضوعات پایداری و کارآیی را با استفاده از یک رویکرد جدید حل کردند. دستگاه های خورشیدی Perovskite از چندین لایه تشکیل شده اند - هر یک عملکرد خاص دارند. آنها به جای تمرکز فقط روی یک لایه ، به عملکرد کلی دستگاه و نحوه تعامل لایه ها با یکدیگر پرداختند.
لایه پرکوسیت فعال ، که نور خورشید را جذب می کند ، در مرکز دستگاه قرار دارد و بین لایه های دیگر ساندویچ شده است. هنگامی که فوتون های لایه به لایه perovskite برخورد می کنند ، الکترون های دارای بار منفی از این انرژی استفاده می کنند و "پرش" می کنند و به سطح انرژی بالاتری می رسند و "سوراخ" های دارای بار مثبت را در جایی که قبلاً الکترون ها باقی مانده بودند ، به جای می گذارند. این بارها در جهت های مخالف به لایه های حمل و نقل الکترونی و سوراخ در بالا و زیر لایه فعال منحرف می شوند. این یک جریان شارژ - یا برق - ایجاد می کند که می تواند از طریق الکترود دستگاه خورشیدی را ترک کند. دستگاه همچنین توسط یک لایه محافظ محصور می شود که باعث کاهش تخریب می شود و از ورود مواد شیمیایی سمی به محیط جلوگیری می کند.
سلول ها و ماژول های خورشیدی پرووفسکایت از لایه های زیادی تشکیل شده است که هر کدام یک عملکرد خاص دارند. دانشمندان لایه های برجسته شده به رنگ نارنج را اضافه یا اصلاح کردند.
در این تحقیق دانشمندان با ماژول های خورشیدی کار کردند که 22.4 cm2 بود.
دانشمندان ابتدا با افزودن ماده شیمیایی به نام EDTAK بین دو لایه ، رابط بین لایه فعال پراسکایت و لایه حمل و نقل الکترونی را بهبود بخشید. آنها دریافتند که EDTAK مانع از واکنش لایه حمل و نقل الکترونی اکسید قلع با لایه فعال پراسکیت و افزایش پایدار ماژول خورشیدی می شود.
EDTAK همچنین بهره وری ماژول خورشیدی پراوسکی را از دو طریق متفاوت بهبود بخشید. در مرحله اول ، پتاسیم موجود در EDTAK به لایه فعال پروسکایت منتقل شد و نقص های ریز را در سطح پروسکایت "بهبود یافت". این مانع از به دام افتادن این نقص در الکترون های متحرک و سوراخ ها شد و امکان تولید برق بیشتری نیز فراهم شد. EDTAK همچنین با افزایش خاصیت رسانایی لایه حمل و نقل الکترون اکسید قلع ، عملکرد خود را افزایش داده و جمع آوری الکترون ها را از لایه پراووسیت آسان تر می کند.
دانشمندان پیشرفت های مشابهی رابط بین لایه فعال پرکوسیت و لایه حمل و نقل سوراخ ایجاد کردند. این بار ، آنها نوعی از پروسکایت به نام EAMA را بین لایه ها اضافه کردند که این امر باعث افزایش لایه انتقال سوراخ در دریافت سوراخ ها می شود.
دستگاه تحت درمان با EAMA همچنین در تست های رطوبت و دما ، پایداری بهتری را نشان داد. این به این دلیل است که چگونه EAMA با سطح لایه فعال پرکوسیت که موزاییکی از دانه های کریستالی است ، در تعامل است. در دستگاه های خورشیدی بدون EAMA ، دانشمندان دیدند که ترک هایی روی سطح لایه فعال ایجاد می شود که از مرزهای بین این دانهها سرچشمه می گیرد. وقتی دانشمندان EAMA را اضافه كردند ، مشاهده كردند كه مواد اضافی پراكوسیت مرزهای دانه را پر كرده و از ورود رطوبت جلوگیری می كنند و مانع از ایجاد این ترك ها می شوند.
این تیم همچنین با مخلوط کردن مقدار کمی از پلیمر به نام PH3T ، خود لایه حمل و نقل سوراخ را تغییر داد. این پلیمر با تهیه لایه ای از خواص دفع آب مقاومت رطوبت را افزایش داد.
این پلیمر همچنین مسئله اصلی را که قبلاً مانع بهبود ثبات بلند مدت شده بود ، حل کرد. الکترود در بالای ماژول خورشیدی پروسکایت از نوارهای نازک طلا تشکیل شده است. اما با گذشت زمان ، ذرات طلای کوچک از الکترود ، از طریق لایه حمل و نقل سوراخ و به لایه فعال پروسکایت مهاجرت می کنند. این عملکرد برگشت ناپذیر دستگاه را مختل می کند.
هنگامی که محققان PH3T را گنجانیدند ، دریافتند که ذرات طلا آهسته تر وارد دستگاه شده و باعث افزایش قابل ملاحظه ای طول عمر ماژول می شوند.
برای بهبود نهایی آنها ، دانشمندان یک لایه نازک از پلیمر ، پاریلن ، علاوه بر شیشه ، برای ارائه یک پوشش محافظ به ماژول خورشیدی اضافه کردند. با استفاده از این حفاظت اضافه شده ، ماژول های خورشیدی حتی پس از 2000 ساعت از روشنایی مداوم ، حدود 0}}}} از عملکرد اولیه خود را حفظ کردند.
تیم OIST با همکاری دکتر سعید کازائویی در انستیتوی ملی علوم و فن آوری پیشرفته صنعتی (AIST) ، ماژول های خورشیدی بهبود یافته را آزمایش کرده و راندمان 16.6٪ را بدست آورد - راندمان بسیار بالایی برای یک ماژول خورشیدی با این اندازه. محققان اکنون قصد دارند این اصلاحات را در ماژول های خورشیدی بزرگتر انجام دهند ، و راه را برای توسعه فناوری بزرگ خورشیدی تجاری در مقیاس بزرگ در آینده سوق دهند.
