Forrás: oist.jp
Az Okinawa Tudományos és Technológiai Intézet (OIST) kutatói nagy hatékonyságú és jó stabilitással rendelkező új generációs napelem modulokat hoztak létre. A perovskitesnek nevezett típusú anyagból készültek, ezek a napelemes modulok nagy teljesítményt tudnak fenntartani több mint 2000 órán keresztül. Megállapításaik, amelyeket a 2020. július 20-i, a Nature Energy vezető folyóiratában számoltak be, felvilágosították a kereskedelem kilátásait.
A perovskitek forradalmasíthatják a napenergia-technológiai ipart. Rugalmas és könnyű, sokkal sokoldalúbb felhasználást ígérnek, mint a piacon jelenleg uralkodó nehéz és merev szilikon alapú cellák. A tudósoknak azonban meg kell küzdeniük néhány jelentős akadályt, mielőtt a perovskiteket forgalomba lehet hozni.
"Három feltételnek kell megfelelnie, amelyeknek a perovskiteknek meg kell felelniük: olcsónak kell lenniük, nagyon hatékonyak és hosszú élettartamúak" - mondta Yabing Qi professzor, az OIST vezetőjeEnergiaanyagok és Felülettudományok Osztály, aki vezette ezt a tanulmányt.
A Perovskite napelem bemutatása
A perovskite napelemek előállításának költsége alacsony, mivel az olcsó nyersanyagok kevés energiát igényelnek a feldolgozáshoz. És alig több mint egy évtized alatt a tudósok hatalmas lépéseket tettek annak javítása érdekében, hogy a perovskites napelemek hatékonyan átalakítsák a napfényt villamos energiává, olyan hatékonysági szintekkel, amelyek már összehasonlíthatók a szilícium alapú cellákéval.
Ugyanakkor, amikor az apró napelemektől a nagyobb napelemmodulokig méretezték, a perovskites hatékonysági szintje zuhan. Ez problematikus, mivel a kereskedelmi napenergia-technológiának hatékonynak kell maradnia a több láb hosszúságú napelemek méretében.
„A méretnövelés nagyon igényes; az anyag hibái még hangsúlyosabbá válnak, ezért jó minőségű anyagokra és jobb gyártási technikákra van szükség ”- magyarázta Dr. Luis Ono, a tanulmány társszerzője.
(Balra) Az OIST Energy Materials and Surface Sciences egység különféle méretű napelemekkel és modulokkal működik. (Jobbra) Ebben a tanulmányban a tudósok 5 cm x 5 cm méretű napmodulokkal dolgoztak.
A perovskitestek instabilitása szintén kulcsfontosságú kérdés az intenzív vizsgálat alatt. A kereskedelmi napelemeknek képesnek kell lenniük ellenállni az éves működésnek, de a perovskites napelemek jelenleg gyorsan lebomlanak.
A rétegek felépítése
Qi professzor csapata, az OIST Technológiai Fejlesztési és Innovációs Központ Proof-of-Concept programjának támogatásával, új megközelítés segítségével foglalkozott ezekkel a stabilitási és hatékonysági kérdésekkel. A Perovskite napelemes készülékek több rétegből állnak - mindegyik sajátos funkcióval rendelkezik. Ahelyett, hogy csak egy rétegre összpontosított volna, áttekintették az eszköz általános teljesítményét és azt, hogy a rétegek hogyan kölcsönhatásba lépnek egymással.
Az aktív perovskite réteg, amely elnyeli a napfényt, a készülék közepén fekszik, a többi réteg között. Amikor a fény fotonjai megütik a perovszkite réteget, a negatív töltésű elektronok ezt az energiát hasznosítják és magasabb szintre ugrálnak, pozitív töltésű „lyukakat” hagyva ott, ahol az elektronok régen voltak. Ezeket a töltéseket ellentétes irányokba tereljük az aktív réteg feletti és alatti elektron- és lyukakat szállító rétegekbe. Ez olyan töltési vagy villamos áramlást hoz létre, amely az elektródokon keresztül elhagyhatja a napelemet. A készüléket egy védőréteg is beépíti, amely csökkenti a lebomlást és megakadályozza a mérgező vegyi anyagok kiszivárgását a környezetbe.
A Perovskite napelemek és modulok sok rétegből állnak, amelyek mindegyike sajátos funkcióval rendelkezik. A tudósok hozzáadták vagy módosították a narancssárga színű rétegeket.
A tanulmányban a tudósok 22,4 cm2 méretű napelemes modulokkal dolgoztak.
A tudósok először javították a perovskiites aktív réteg és az elektronszállító réteg közötti határfelületet azáltal, hogy a két réteg közé EDTAK nevű vegyületet adtak. Megállapították, hogy az EDTAK megakadályozta az ón-oxid elektronszállító réteg reakcióját a perovskite aktív réteggel, ezáltal növelve a napmodul stabilitását.
Az EDTAK kétféle módon javította a perovskite napelem modul hatékonyságát. Először, a kálium az EDTAK-ban bejutott az aktív perovszkite rétegbe, és apró hibákat „gyógyított” meg a perovszkite felületén. Ez megakadályozta, hogy ezek a hibák csapdába ejtsék a mozgó elektronokat és lyukakat, lehetővé téve több villamos energia előállítását. Az EDTAK javította a teljesítményt azáltal, hogy javította az ón-oxid elektronszállító réteg vezetőképességét, megkönnyítve az elektronok gyűjtését a perovskite-rétegből.
A tudósok hasonló javításokat hajtottak végre a perovskite aktív réteg és a lyukakat szállító réteg közötti felületen. Ezúttal az EAMA nevű perovszkitettípust adták a rétegek közé, ami javította a lyukakat szállító réteg lyukainak befogadási képességét.
Az EAMA-val kezelt készülék jobb stabilitást mutatott a páratartalom és a hőmérséklet vizsgálatán is. Ennek oka az volt, hogy az EAMA kölcsönhatásba lépett a perovskite aktív réteg felületével, amely kristályszemcsék mozaikja. Az EAMA nélküli napelemes készülékekben a tudósok észrevették, hogy az aktív réteg felületén repedések alakulnak ki, amelyek e szemcsék közötti határokból származnak. Amikor a tudósok hozzáadották az EAMA-t, megfigyelték, hogy a további perovszkite anyag kitölti a gabona határát, és megakadályozza a nedvesség bejutását, megakadályozva ezen repedések kialakulását.
A csapat maga módosította a lyukakat szállító réteget is egy kis mennyiségű PH3T nevű polimer összekeverésével. Ez a polimer javította a nedvességállóságot azáltal, hogy a réteg víztaszító tulajdonságait biztosítja.
A polimer egy olyan fontos kérdést is megoldott, amely korábban akadályozta a hosszú távú stabilitás javulását. A perovskites napelem modul tetején lévő elektród vékony aranycsíkokból készül. De az idő múlásával apró aranyrészecskék vándorolnak az elektródából, a lyukakat szállító rétegen keresztül és az aktív perovszkite rétegbe. Ez visszafordíthatatlanul rontja az eszköz teljesítményét.
Amikor a kutatók beépítették a PH3T-t, azt találták, hogy az aranyrészecskék lassabban vándorolnak a készülékbe, ami jelentősen megnöveli a modul élettartamát.
Végső javításuk céljából a tudósok az üveg mellett vékony réteg polietilént, parilént adtak hozzá, hogy védő bevonatot nyújtsanak a napelemes modulra. Ezzel a kiegészítő védelemmel a szolármodulok eredeti teljesítményük körülbelül 86% -át fenntartották, még 2000 órás állandó megvilágítás után.
Dr. Said Kazaoui-val a Fejlett Ipari Tudományos és Technológiai Intézetnél (AIST) együttmûködésben az OIST csapata kipróbálta a továbbfejlesztett napelem modulokat, és 16,6% -os hatékonyságot kapott - ez egy nagyon magas hatékonyságú ilyen méretû napelem modulhoz. A kutatók célja ezeknek a módosításoknak a végrehajtása nagyobb napelemes modulokon, utat mutatva a nagyszabású, kereskedelmi napenergia-technológia fejlesztéséhez a jövőben.
