Allikas:news.northwestern.edu
Täna (17. novembril) ajakirjas Science avaldatud leiud kirjeldavad kahemolekulilist lahendust, kuidas ületada päikesevalguse energiaks muundamisel vähenenud efektiivsus. Lisades esiteks molekuli, mille eesmärk on tegeleda pinnarekombinatsiooniga, mille käigus elektronid kaovad, kui need on kinni jäänud defektide tõttu – pinnal puuduvad aatomid, ja teise molekuli, mis häirib rekombinatsiooni kihtidevahelisel liidesel, saavutas meeskond riikliku taastuvenergia. Energy Lab (NREL) sertifitseeritud efektiivsus on 25,1%, kusjuures varasemate lähenemisviiside efektiivsus oli vaid 24,09%.
"Perovskite päikeseenergia tehnoloogia liigub kiiresti ning uurimis- ja arendustegevuse rõhk on nihkumas hulgineeldurist liidestele," ütles Northwesterni professor Ted Sargent. "See on kriitiline punkt tõhususe ja stabiilsuse edasiseks parandamiseks ning toomaks meid lähemale sellele paljutõotavale teele üha tõhusama päikeseenergia kogumise suunas."
Sargent on Paula M. Trienensi Jätkusuutlikkuse ja Energia Instituudi (endine ISEN) kaastegevdirektor ning multidistsiplinaarne materjalikeemia ja energiasüsteemide teadur, kelle ametikohad on Weinbergi kunstide ja teaduste kolledži keemiaosakonnas ning McCormicki insenerikooli elektri- ja arvutitehnika osakond.
Tavapärased päikesepatareid on valmistatud kõrge puhtusastmega räniplaatidest, mille tootmine on energiamahukas ja suudab neelata ainult kindlat vahemikku päikesespektrist.
Perovskiitmaterjalid, mille suurust ja koostist saab reguleerida, et "häälestada" valguse lainepikkusi, mida nad neelavad, muutes need soodsaks ja potentsiaalselt odavamaks, kõrge efektiivsusega arenev tandemtehnoloogia.
Ajalooliselt on perovskiidist päikesepatareisid nende suhtelise ebastabiilsuse tõttu vaevanud väljakutsed tõhususe parandamiseks. Viimastel aastatel on Sargenti labori ja teiste edusammud toonud perovskiit-päikesepatareide efektiivsuse samasse vahemikku kui räni abil saavutatav.
Käesolevas uuringus keskendus meeskond selle asemel, et aidata rakul rohkem päikesevalgust neelata, genereeritud elektronide säilitamise ja säilitamise küsimusele, et suurendada tõhusust. Kui perovskiitkiht puutub kokku raku elektronide transpordikihiga, liiguvad elektronid ühelt teisele. Kuid elektron võib liikuda tagasi väljapoole ja täita või "rekombineerida" perovskiidikihil olevate aukudega.
"Rekombinatsioon liideses on keeruline," ütles esimene autor Cheng Liu, Sargenti labori järeldoktorant, mida juhendavad Charles E. ja Emma H. Morrison keemiaprofessor Mercouri Kanatzidis. "Ühte tüüpi molekule on väga raske kasutada keeruka rekombinatsiooni lahendamiseks ja elektronide säilitamiseks, seega kaalusime, millist molekulide kombinatsiooni saaksime probleemi põhjalikumaks lahendamiseks kasutada."
Sargenti meeskonna varasemad uuringud on leidnud tõendeid selle kohta, et üks molekul, PDAI2, teeb liidese rekombinatsiooni lahendamisel head tööd. Järgmisena pidid nad leidma molekuli, mis parandaks pinnadefekte ja takistaks elektronide nendega rekombineerumist.
Leides mehhanismi, mis võimaldaks PDAI2-l töötada sekundaarse molekuliga, piiras meeskond väävli kasutamist, mis võib asendada süsinikurühmi, mis tavaliselt ei takista elektronide liikumist, et katta puuduvad aatomid ja pärssida rekombinatsiooni.
"Pööratud perovskiit-päikesepatareides leitud peamiste ebaefektiivsuste käsitlemisel, mis on peamiselt tingitud mittekiirguse rekombinatsiooni kadudest, kehtestatakse päikesepatareide tõhususe uus standard, " ütles Northwesterni professor Mercouri Kanatzidis. "See on suurepärane näide sellest, kuidas täiustatud materjalide keemia valdkond võib märkimisväärselt suurendada tekkivate perovskite fotogalvaaniliste tehnoloogiate energia muundamise tõhusust ja pikaealisust."
Kanatzidis on juhtiv autoriteet materjalikeemia ja säästvate energialahenduste valdkonnas, kellel on kaks ametikohta Weinbergi keemiaosakonnas ja McCormicki materjaliteaduse ja inseneriteaduse osakonnas.
"Oleme põnevil, et meie bimolekulaarne strateegia näitab rakendatavust paljude perovskiitkompositsioonide puhul, sealhulgas nende puhul, mis on paljulubavad tandempäikesepatareide jaoks," ütles Bin Chen, keemiateaduse abiprofessor ja paberi kaasautor.
Sama töörühma hiljutises ajakirjas Nature avaldatud artiklis töötati välja perovskiitkihi all oleva substraadi kattekiht, mis aitab rakul töötada pikemat aega kõrgemal temperatuuril. Liu sõnul võib see lahendus töötada koos teaduse paberi leidudega.
Kuigi meeskond loodab, et nende leiud julgustavad suuremat teadusringkonda oma tööd jätkama, tegelevad nad ka järelmeetmetega.
"Keerulise liidese probleemi lahendamiseks peame kasutama paindlikumat strateegiat, " ütles Cheng. "Me ei saa kasutada ainult ühte tüüpi molekule, nagu inimesed varem tegid. Me kasutame kahte molekuli, et lahendada kahte tüüpi rekombinatsiooni, kuid oleme kindlad, et liideses on rohkem erinevaid defektidega seotud rekombinatsioone. Peame proovima kasutada rohkem molekule kokku tulla ja tagada, et kõik molekulid töötavad koos ilma üksteise funktsioone hävitamata."
