Nowy projekt ogniw słonecznych, który wykorzystuje niedrogie, powszechnie dostępne materiały, może konkurować, a nawet przewyższać konwencjonalne ogniwa wykonane z krzemu.

Naukowcy wykorzystali cynę i inne powszechnie występujące pierwiastki do stworzenia nowych form perowskitu – fotowoltaicznego materiału krystalicznego, który jest cieńszy, bardziej elastyczny i łatwiejszy w produkcji niż kryształy krzemu. Zgłaszają swoje badania w czasopiśmie nauka.

„Półprzewodniki perowskitowe okazały się bardzo obiecujące w produkcji wysokowydajnych ogniw słonecznych przy niskich kosztach”, mówi współautor badania, Michael McGehee, profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanforda. „Zaprojektowaliśmy solidne, wykonane w całości z perowskitu urządzenie, które przekształca światło słoneczne w energię elektryczną z wydajnością 20.3%, czyli z wydajnością porównywalną z krzemowymi ogniwami słonecznymi dostępnymi obecnie na rynku”.

Podwójny stos perowskitu

Nowe urządzenie składa się z dwóch perowskitowych ogniw słonecznych ułożonych w tandemie. Każda komórka jest drukowana na szkle, ale ta sama technologia może być wykorzystana do drukowania komórek na plastiku.

„Całkowicie perowskitowe ogniwa tandemowe, które zademonstrowaliśmy, wyraźnie nakreślają mapę drogową dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych, aby zapewnić ponad 30-procentową wydajność”, mówi współautor Henry Snaith, profesor fizyki na Uniwersytecie Oksfordzkim. "To dopiero początek."

Wcześniejsze badania wykazały, że dodanie warstwy perowskitu może poprawić wydajność krzemowych ogniw słonecznych. Ale tandemowe urządzenie składające się z dwóch całkowicie perowskitowych ogniw byłoby tańsze i mniej energochłonne w budowie, twierdzą naukowcy.

„Krzemowy panel słoneczny zaczyna się od przekształcenia skały krzemionkowej w kryształy krzemu w procesie obejmującym temperatury powyżej 3,000 stopni Fahrenheita (1,600 stopni Celsjusza)” – mówi współautor Tomas Leijtens, doktor habilitowany w Stanford. „Ogniwa perowskitowe można przetwarzać w laboratorium z popularnych materiałów, takich jak ołów, cyna i brom, a następnie drukować na szkle w temperaturze pokojowej”.

Trudne wyzwanie

Ale zbudowanie tandemowego urządzenia w całości z perowskitu było trudnym wyzwaniem. Głównym problemem jest stworzenie stabilnych materiałów perowskitowych zdolnych do przechwytywania wystarczającej ilości energii słonecznej, aby wytworzyć przyzwoite napięcie.

Typowa komórka perowskitowa zbiera fotony z widzialnej części widma słonecznego. Fotony o wyższej energii mogą powodować, że elektrony w krysztale perowskitu przeskakują przez „przerwę energetyczną” i wytwarzają prąd elektryczny.

Ogniwo słoneczne z małą przerwą energetyczną może pochłonąć większość fotonów, ale wytwarza bardzo niskie napięcie. Komórka z większą przerwą energetyczną generuje wyższe napięcie, ale fotony o niższej energii przechodzą przez nią.

Wydajne urządzenie tandemowe składałoby się z dwóch idealnie dopasowanych komórek, mówi współautor Giles Eperon, doktor habilitowany z Oksfordu, obecnie na University of Washington.

„Ogniwo z większą przerwą energetyczną absorbowałoby fotony o wyższej energii i generowałoby dodatkowe napięcie” – mówi Eperon. „Komórka z mniejszą przerwą energetyczną może zbierać fotony, które nie są zbierane przez pierwszą komórkę i nadal wytwarzać napięcie”.

Problem ze stabilnością

Mniejsza luka okazała się większym wyzwaniem dla naukowców. Pracując razem, Eperon i Leijtens wykorzystali unikalną kombinację cyny, ołowiu, cezu, jodu i materiałów organicznych, aby stworzyć wydajne ogniwo z niewielką przerwą energetyczną.

„Opracowaliśmy nowy perowskit, który pochłania światło podczerwone o niższej energii i zapewnia wydajność konwersji na poziomie 14.8%” — mówi Eperon. „Następnie połączyliśmy to z ogniwem perowskitowym złożonym z podobnych materiałów, ale z większą przerwą energetyczną”.

Rezultat: Tandemowe urządzenie składające się z dwóch ogniw perowskitowych o łącznej wydajności 20.3 procent.

„Istnieją tysiące możliwych związków dla perowskitów”, mówi Leijtens, „ale ten działa bardzo dobrze, trochę lepiej niż jakikolwiek inny wcześniej”.

Sztuczka z „klejem” sprawia, że ​​ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu stają się większe

Jednym z problemów związanych z perowskitami jest stabilność. Dachowe panele słoneczne wykonane z krzemu zwykle wytrzymują 25 lat lub dłużej. Ale niektóre perowskity szybko ulegają degradacji pod wpływem wilgoci lub światła. We wcześniejszych eksperymentach stwierdzono, że perowskity wykonane z cyny są szczególnie niestabilne.

Aby ocenić stabilność, zespół badawczy poddał obie eksperymentalne komórki temperaturze 212 stopni Fahrenheita (100 stopni Celsjusza) przez cztery dni.

„Co najważniejsze, odkryliśmy, że nasze ogniwa wykazują doskonałą stabilność termiczną i atmosferyczną, niespotykaną w przypadku perowskitów na bazie cyny” – piszą autorzy.

„Wydajność naszego urządzenia tandemowego już teraz znacznie przewyższa najlepsze tandemowe ogniwa słoneczne wykonane z innych tanich półprzewodników, takich jak małe cząsteczki organiczne i krzem mikrokrystaliczny” — mówi McGehee. „Ci, którzy widzą potencjał, zdają sobie sprawę, że te wyniki są niesamowite”.

Następnym krokiem jest optymalizacja składu materiałów, aby pochłaniały więcej światła i generowały jeszcze wyższy prąd, mówi Snaith.

„Wszechstronność perowskitów, niski koszt materiałów i produkcji, teraz w połączeniu z możliwością osiągnięcia bardzo wysokiej wydajności, będą rewolucyjne dla przemysłu fotowoltaicznego, gdy udowodniona zostanie również zdolność produkcyjna i akceptowalna stabilność”, mówi.

Współautorami badania są inni badacze ze Stanford, Oxford, Hasselt University w Belgii oraz SunPreme Inc.

Fundusze pochodziły od Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, brytyjskiej Rady ds. Badań nad Inżynierią i Fizyką, Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej, Horyzontu 2020, Amerykańskiego Biura Badań Marynarki Wojennej oraz Globalnego Projektu Klimatyczno-Energetycznego w Stanford.

Źródło: Uniwersytet Stanford

Powiązane książki:

at Rynek wewnętrzny i Amazon