Allikas: oist.jp
Okinawa teaduse ja tehnoloogia instituudi kraadiõppe ülikooli (OIST) teadlased on loonud järgmise põlvkonna suure tõhususega ja hea stabiilsusega päikesemoodulid. Valmistatud tüüpi materjalist, mida nimetatakse perovskites, võimaldavad need päikesemoodulid säilitada suure jõudluse üle 2000 tunni. Nende avastused, millest juhtiv ajakiri Nature Energy teatasid 20. juuli 2020, on muutnud turuletuleku väljavaated paremaks.
Perovskiitidel on potentsiaal päikeseenergia tehnoloogia tööstuses revolutsiooniks. Paindlikud ja kerged, nad lubavad rohkem mitmekülgsust kui praegu turul domineerivad rasked ja jäigad ränipõhised elemendid. Kuid teadlased peavad enne perovskitide turuleviimist ületama mõned suured takistused.
"Perovskite peab vastama kolmele tingimusele: need peavad olema odavalt toodetavad, väga tõhusad ja pika elueaga," ütles OISTi juhataja professor Yabing Qi.Energiamaterjalide ja pindade teaduste üksus, kes seda uuringut juhtis.
Päikeseelemendi Perovskite tutvustus
Perovskite päikesepatareide valmistamise kulud on madalad, kuna odavad toorained vajavad töötlemiseks vähe energiat. Ja veidi enam kui kümne aasta jooksul on teadlased teinud suuri edusamme, et muuta perovskiiti päikesepatareide tõhusus päikesevalgust elektrienergiaks, tõhususe tasemega, mis on nüüd võrreldav räni baasil valmistatud rakkude omaga.
Kui aga väikestest päikesepatareidest suuremateks päikesemooduliteks kasvatada, langeb perovskite efektiivsuse tase. See on problemaatiline, kuna kaubanduslik päikeseenergiatehnoloogia peab jääma tõhusaks mitme jalga pikkuste päikesepaneelide suuruses.
„Ulatuse suurendamine on väga nõudlik; kõik materjali vead muutuvad selgemaks, nii et vajate kvaliteetseid materjale ja paremaid valmistamisvõtteid, ”selgitas selle uuringu kaasautor dr Luis Ono.
(Vasakul) OISTi energiamaterjalide ja pinnateaduste üksus töötab erineva suurusega päikesepatareide ja moodulitega. (Paremal) Selles uuringus töötasid teadlased 5 cm x 5 cm päikesemoodulitega.
Perovskitide ebastabiilsus on veel üks võtmeküsimus, mida põhjalikult uuritakse. Kaubanduses kasutatavad päikesepatareid peavad vastu pidama aastatepikkusele kasutamisele, kuid praegu lagunevad perovskite päikesepatareid kiiresti.
Kihtide ülesehitamine
Professor Qi meeskond, keda toetas tehnoloogia arendus- ja innovatsioonikeskuse kontseptsiooni tõestamise programm, toetas neid stabiilsuse ja tõhususe küsimusi uue lähenemisviisi abil. Päikeseseadmed Perovskite koosnevad mitmest kihist - igaühel neist on konkreetne funktsioon. Ainult ühele kihile keskendumise asemel vaadeldi seadme üldist jõudlust ja seda, kuidas kihid üksteisega suhtlevad.
Päikesevalgust neelav aktiivne perovskite kiht asetseb seadme keskel, muude kihtide vahel. Kui valguse footonid löövad perovskite kihti, rakendavad negatiivselt laetud elektronid selle energia ja hüppavad kõrgemale energiatasandile, jättes positiivse laenguga augud sinna, kus elektronid olid. Seejärel suunatakse need laengud vastassuunas elektronide ja aukude transportkihtidesse aktiivse kihi kohal ja all. See loob laadimisvoolu või elektri, mis võib päikeseseade elektroodide kaudu lahkuda. Seade on kapseldatud ka kaitsekihiga, mis vähendab lagunemist ja hoiab ära toksiliste kemikaalide keskkonda lekkimise.
Perovskite päikesepatareid ja moodulid koosnevad paljudest kihtidest, millest igaühel on kindel funktsioon. Teadlased lisasid või muutsid oranži värviga esile tõstetud kihte.
Uuringus töötasid teadlased päikesemoodulitega, mille suurus oli 22,4 cm2.
Esiteks parandasid teadlased liidet perovskiidi aktiivse kihi ja elektronide transpordikihi vahel, lisades kahe kihi vahele kemikaali nimega EDTAK. Nad leidsid, et EDTAK takistas tinaoksiidi elektronide transpordikihil reageerimast perovskiidi aktiivkihiga, suurendades päikesemooduli stabiilsust.
EDTAK parandas ka päikesemooduli perovskite efektiivsust kahel erineval viisil. Esiteks liikus EDTAK-is olev kaalium aktiivsesse perovskiidi kihti ja "paranes" perovskiidi pinnale pisikesed defektid. See takistas nendel defektidel liikuvate elektronide ja aukude lõksu jäämist, võimaldades toota rohkem elektrit. Samuti suurendas EDTAK jõudlust, suurendades tinaoksiidi elektronide transpordikihi juhtivusi, muutes elektronide kogumise perovskite kihist lihtsamaks.
Teadlased tegid perovskiidi aktiivkihi ja augu transpordikihi vahelise liidese sarnaseid parandusi. Seekord lisasid nad kihtide vahele tüüpi perovskiiti nimega EAMA, mis suurendas aukude transpordikihi võimet auke vastu võtta.
EAMA-ga töödeldud seade näitas paremat stabiilsust ka niiskuse- ja temperatuuritestides. See oli tingitud sellest, kuidas EAMA suhtles perovskiidi aktiivkihi pinnaga, mis on kristalliterade mosaiik. Ilma EAMAta päikeseenergia seadmetes nägid teadlased, et aktiivse kihi pinnale tekkisid praod, mis olid pärit nende terade vahelistest piiridest. Kui teadlased lisasid EAMA, täheldasid nad, et täiendav perovskite materjal täitis teravilja piirid ja peatas niiskuse sisenemise, takistades nende pragude tekkimist.
Meeskond modifitseeris ka augu transpordikihi ise, segades väikese koguse polümeeri nimega PH3T. See polümeer suurendas niiskuskindlust, pakkudes kihile vetthülgavaid omadusi.
Polümeer lahendas ka olulise probleemi, mis on varem takistanud pikaajalise stabiilsuse parandamist. Päikesemooduli perovskiidi peal olev elektrood on moodustatud õhukestest kuldribadest. Kuid aja jooksul rändavad pisikesed kullaosakesed elektroodilt läbi augu transpordikihi aktiivsesse perovskite kihti. See halvendab pöördumatult seadme jõudlust.
Kui teadlased ühendasid PH3T, leidsid nad, et kullaosakesed rändasid seadmesse aeglasemalt, mis pikendas oluliselt mooduli eluiga.
Lõplikuks parandamiseks lisasid teadlased lisaks klaasile õhukese kihi polümeeri, parüleeni, et päikesemoodulil oleks kaitsekate. Selle täiendava kaitse abil säilitasid päikesemoodulid umbes 86% oma esialgsest jõudlusest isegi pärast 2000-tunnist pidevat valgustust.
Koostöös kõrgetasemelise tööstusteaduse ja tehnoloogia riikliku instituudi (AIST) dr Said Kazaouiga testis OISTi meeskond täiustatud päikesemooduleid ja saavutas 16,6% kasuteguri - väga suur efektiivsus sellise suurusega päikesemooduli jaoks. Teadlaste eesmärk on need modifikatsioonid nüüd läbi viia suuremates päikesemoodulites, viies tulevikus teed suuremahulise kaubandusliku päikeseenergia tehnoloogia arendamisse.
