Nowa obróbka opracowana przez badaczy z HKUST znacznie zwiększa wydajność i trwałość perowskitowych ogniw słonecznych, oferując obiecujący postęp w zakresie skalowalnej czystej energii.
Naukowcy z projektu HKUST opracowali innowacyjną obróbkę molekularną, aby poprawić zarówno wydajność, jak i trwałość perowskitowych ogniw słonecznych, potencjalnie ułatwiając rozwój technologii energii odnawialnej na skalę przemysłową.
Technologie fotowoltaiczne (PV), które przekształcają światło w energię elektryczną, są coraz częściej wykorzystywane na całym świecie do produkcji energii odnawialnej. Naukowcy z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Hongkongu (HKUST) opracowali obróbkę molekularną, która znacznie poprawia wydajność i trwałość perowskitowych ogniw słonecznych. To przełomowe osiągnięcie może przyspieszyć produkcję tego czystego źródła energii na dużą skalę.
Kluczem do rozwiązania była pomyślna identyfikacja parametrów krytycznych, które określają wydajność i żywotność perowskitów halogenkowych, materiału fotowoltaicznego nowej generacji, który dzięki swojej unikalnej strukturze krystalicznej stał się jednym z najbardziej obiecujących materiałów w urządzeniach fotowoltaicznych. Wyniki opublikowano w Nauka.
Zespół badawczy pod kierunkiem adiunkta Lin Yen-Hunga z Wydziału Inżynierii Elektronicznej i Komputerowej oraz Państwowego Kluczowego Laboratorium Zaawansowanych Wyświetlaczy i Technologii Optoelektroniki zbadał różne sposoby pasywacji, czyli procesu chemicznego zmniejszającego liczbę defektów lub łagodzącego ich skutki w materiałach, zwiększając w ten sposób wydajność i trwałość urządzeń wykonanych z tych materiałów. Skoncentrowali się na rodzinie cząsteczek „aminosilanowych” do pasywacji perowskitowych ogniw słonecznych.
Cząsteczki aminosilanu i ich wytwarzanie oraz właściwości optoelektroniczne. Źródło: HKUST
Poprawa wydajności i trwałości ogniw słonecznych
„Pasywacja pod wieloma postaciami odegrała w ciągu ostatniej dekady bardzo ważną rolę w poprawie wydajności perowskitowych ogniw słonecznych. Jednak metody pasywacji prowadzące do najwyższej wydajności często nie poprawiają znacząco długoterminowej stabilności operacyjnej” – wyjaśnił prof. Lin.
Po raz pierwszy zespół badawczy pokazał, jak różne typy amin (pierwotne, drugorzędowe i trzeciorzędowe) oraz ich kombinacje mogą ulepszyć powierzchnie folii perowskitowych, na których powstaje wiele defektów. Osiągnęli to, stosując metody „ex-situ” (poza środowiskiem operacyjnym) i „in-situ” (w środowisku operacyjnym) w celu obserwacji interakcji cząsteczek z perowskitami. Na tej podstawie zidentyfikowali cząsteczki, które znacznie zwiększają wydajność kwantową fotoluminescencji (PLQY), tj. ilość fotonów emitowanych podczas wzbudzania materiałów, co wskazuje na mniej defektów i lepszą jakość.
Adiunkt Lin Yen-Hung z Wydziału Inżynierii Elektronicznej i Komputerowej oraz Państwowego Kluczowego Laboratorium Zaawansowanych Wyświetlaczy i Technologii Optoelektroniki (po prawej), doktorantka Inżynierii Elektroniki i Komputera Cao Xueli (w środku) oraz starszy kierownik Państwowego Kluczowego Laboratorium Zaawansowane wyświetlacze i technologie optoelektroniczne Dr Fion Yeung (po lewej). Źródło: HKUST
„To podejście ma kluczowe znaczenie dla rozwoju tandemowych ogniw słonecznych, które łączą wiele warstw materiałów fotoaktywnych o różnych przerwach wzbronionych. Konstrukcja maksymalizuje wykorzystanie widma słonecznego poprzez pochłanianie różnych części światła słonecznego w każdej warstwie, co prowadzi do wyższej ogólnej wydajności” – prof. Lin szczegółowo opisał aplikację.
Podczas demonstracji ogniw słonecznych zespół wyprodukował urządzenia o średnich (0,25 cm²) i dużych (1 cm²) rozmiarach. W eksperymencie uzyskano niskie straty fotowoltaiczne w szerokim zakresie pasm wzbronionych, utrzymując wysokie napięcie wyjściowe. Urządzenia te osiągnęły wysokie napięcia w obwodzie otwartym, przekraczające 90% granicy termodynamicznej. Porównanie z około 1700 zestawami danych z istniejącej literatury wykazało, że ich wynik był jednym z najlepszych odnotowanych dotychczas pod względem efektywności konwersji energii.
Wykazanie stabilności operacyjnej
Co ważniejsze, badanie wykazało niezwykłą stabilność operacyjną ogniw pasywowanych aminosilanem zgodnie z protokołem Międzynarodowego Szczytu Organicznych Ogniw Słonecznych (ISOS)-L-3, będącym znormalizowaną procedurą testowania ogniw słonecznych. Po około 1500 godzinach procesu starzenia ogniw wydajność maksymalnej mocy punktu (MPP) i wydajność konwersji mocy (PCE) pozostały na wysokim poziomie. Aby najlepiej pasywowane ogniwa spadły do 95% ich wartości początkowych, mistrzowska wydajność MPP i mistrzowska wydajność PCE wyniosły odpowiednio 19,4% i 20,1% – jedne z najwyższych (po uwzględnieniu pasma wzbronionego) i najdłuższych wskaźników zgłoszonych do data.
Prof. Lin podkreślił, że stosowany przez nich proces obróbki nie tylko zwiększa wydajność i trwałość perowskitowych ogniw słonecznych, ale jest także kompatybilny z produkcją na skalę przemysłową.
„Ta obróbka jest podobna do procesu gruntowania HMDS (heksametylodisilazan) szeroko stosowanego w przemyśle półprzewodników” – powiedział. „Takie podobieństwo sugeruje, że naszą nową metodę można łatwo zintegrować z istniejącymi procesami produkcyjnymi, dzięki czemu będzie ona opłacalna komercyjnie i gotowa do zastosowania na dużą skalę”.
Odniesienie: „Uniwersalna pasywacja pasma wzbronionego umożliwia stabilne perowskitowe ogniwa słoneczne przy niskich stratach fotowoltaicznych” autorstwa Yen-Hung Lin, Vikram, Fengning Yang, Xue-Li Cao, Akash Dasgupta, Robert DJ Oliver, Aleksander M. Ulatowski, Melissa M. McCarthy, Xinyi Shen, Qimu Yuan, M. Greyson Christoforo, Fion Sze Yan Yeung, Michael B. Johnston, Nakita K. Noel, Laura M. Herz, M. Saiful Islam i Henry J. Snaith, 16 maja 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado2302
W skład zespołu wchodzili doktoranci z zakresu inżynierii elektronicznej i komputerowej Cao Xue-Li, starszy menedżer Państwowego Kluczowego Laboratorium Zaawansowanych Wyświetlaczy i Technologii Optoelektronicznych dr Fion Yeung, a także współpracownicy z Uniwersytetów Oksfordzkich i Uniwersytetu w Sheffield.
