Forrás:news.northwestern.edu
A Science folyóiratban ma (november 17.) közzétett eredmények egy kettős molekulás megoldást írnak le, amellyel a napfény energiává alakulása során csökken a hatékonyság. Azáltal, hogy először beépítettek egy molekulát az úgynevezett felületi rekombináció kezelésére, amelyben az elektronok elvesznek, amikor hibák – hiányzó atomok a felszínen – csapdába esnek, és egy második molekula, amely megzavarja a rekombinációt a rétegek közötti határfelületen, a csapat elérte a nemzeti megújuló energiaforrást. Az Energy Lab (NREL) 25,1%-os hatékonyságot tanúsított, míg a korábbi megközelítések mindössze 24,09%-os hatékonyságot értek el.
"A perovskit szoláris technológia gyorsan fejlődik, és a kutatás és fejlesztés hangsúlya az ömlesztett elnyelőről az interfészek felé tolódik" - mondta Ted Sargent északnyugati professzor. "Ez a kritikus pont a hatékonyság és a stabilitás további javításához, valamint ahhoz, hogy közelebb vigyünk az egyre hatékonyabb napenergia-betakarítás ígéretes útjához."
Sargent a Paula M. Trienens Fenntarthatósági és Energetikai Intézet (korábban ISEN) társ-ügyvezető igazgatója, valamint az anyagkémia és energiarendszerek multidiszciplináris kutatója, a Weinbergi Művészeti és Tudományos Főiskola kémiai tanszékén. a McCormick School of Engineering villamos- és számítástechnikai tanszéke.
A hagyományos napelemek nagy tisztaságú szilícium lapkákból készülnek, amelyek előállítása energiaigényes, és a napsugárzás spektrumának csak meghatározott tartományát képesek elnyelni.
Perovszkit anyagok, amelyek mérete és összetétele beállítható az általuk elnyelt fény hullámhosszának "behangolására", így kedvező és potenciálisan alacsonyabb költségű, nagy hatékonyságú feltörekvő tandem technológia.
A perovszkit napelemeket relatív instabilitásuk miatt a történelem során kihívások sújtották a hatékonyság javítása terén. Az elmúlt néhány évben a Sargent laboratóriumának és másoknak az eredményei a perovszkit napelemek hatékonyságát a szilíciummal elérhető tartományba hozták.
A jelen kutatás során a csapat ahelyett, hogy segítené a sejtet abban, hogy több napfényt nyeljen el, a generált elektronok fenntartására és megtartására összpontosított a hatékonyság növelése érdekében. Amikor a perovszkit réteg érintkezik a sejt elektronszállító rétegével, az elektronok egyikből a másikba mozognak. De az elektron visszamozdulhat kifelé, és kitöltheti, vagy "rekombinálódhat" a perovszkit rétegen lévő lyukakkal.
"Az interfészen történő rekombináció összetett" - mondta az első szerző, Cheng Liu, a Charles E. és Emma H. Morrison, Mercouri Kanatzidis kémiaprofesszor által közösen felügyelt Sargent laboratórium posztdoktori hallgatója. "Nagyon nehéz egyfajta molekulát használni a komplex rekombináció kezelésére és az elektronok megtartására, ezért fontolóra vettük, hogy a molekulák milyen kombinációjával tudnánk átfogóbban megoldani a problémát."
Sargent csapatának korábbi kutatásai bizonyítékot találtak arra, hogy az egyik molekula, a PDAI2 jó munkát végez az interfész-rekombináció megoldásában. Ezután olyan molekulát kellett találniuk, amely javítja a felületi hibákat, és megakadályozza az elektronok rekombinációját velük.
Azáltal, hogy megtalálták azt a mechanizmust, amely lehetővé teszi, hogy a PDAI2 egy másodlagos molekulával működjön együtt, a csapat szűkítette a ként, amely helyettesítheti a széncsoportokat – amelyek általában nem akadályozzák meg az elektronok mozgását –, hogy fedezzék a hiányzó atomokat és elnyomják a rekombinációt.
"Az invertált perovszkit napelemekben feltárt alapvető hatástalanságok kezelése során, amelyek túlnyomórészt a nem sugárzási rekombinációs veszteségeknek tulajdoníthatók, új mércét állítanak fel a napelemek hatékonyságában" - mondta Mercouri Kanatzidis északnyugati professzor. "Ez kiválóan szemlélteti, hogy a fejlett anyagkémia területe miként képes jelentősen megnövelni a feltörekvő perovszkit fotovoltaikus technológiák energiaátalakítási hatékonyságát és élettartamát."
A Kanatzidis vezető hatóság az anyagkémia és a fenntartható energiamegoldások területén, kettős kinevezéssel Weinberg kémiai tanszékén és McCormick anyagtudományi és mérnöki osztályán.
"Izgatottak vagyunk, hogy bimolekuláris stratégiánk számos perovszkit összetételre alkalmazható, beleértve azokat is, amelyek a tandem napelemek számára ígéretesek" - mondta Bin Chen, a kémia kutatási adjunktusa és a cikk társszerzője.
Ugyanennek a csoportnak a közelmúltban megjelent tanulmánya a Nature-ben egy bevonatot fejlesztett ki a perovszkit réteg alatti szubsztrátumhoz, hogy segítse a sejtet hosszabb ideig magasabb hőmérsékleten dolgozni. Liu szerint ez a megoldás együtt tud működni a Science tanulmány eredményeivel.
Noha a csapat azt reméli, hogy eredményeik arra ösztönzik a nagyobb tudományos közösséget, hogy folytassák a munkát, ők is dolgoznak majd a nyomon követésen.
"Rugalmasabb stratégiát kell alkalmaznunk az összetett interfészprobléma megoldására" - mondta Cheng. "Nem használhatunk csak egyfajta molekulát, ahogy az emberek korábban. Két molekulát használunk kétféle rekombináció megoldására, de biztosak vagyunk benne, hogy több fajta hibával kapcsolatos rekombináció van a felületen. Meg kell próbálnunk használni több molekula jön össze, és biztosítsa, hogy minden molekula együtt működjön anélkül, hogy tönkretenné egymás funkcióit."
