Nowa metoda syntezy stabilnych, perowskitowych ogniw słonecznych wysokiej jakości, zastosowana na Uniwersytecie Rice, może zrewolucjonizować technologię słoneczną dzięki tańszym i bardziej elastycznym panelom.
Energia słoneczna jest jedną z najbardziej rewolucyjnych technologii energetycznych naszych czasów. Jest to nie tylko najszybciej rozwijająca się technologia energetyczna w najnowszej historii, ale także jedno z najtańszych źródeł energii i najskuteczniejsze pod względem redukcji emisji gazów cieplarnianych.
Teraz naukowcy z Uniwersytetu Rice opracowali metodę syntezy jodku ołowiu formamidyniowego (FAPbI3) ⎯ rodzaju kryształu obecnie używanego do wytwarzania perowskitowych ogniw słonecznych o najwyższej wydajności ⎯ w ultrastabilne, wysokiej jakości folie fotowoltaiczne. Całkowita wydajność powstałych ogniw słonecznych FAPbI3 spadła o niecałe 3% na przestrzeni ponad 1000 godzin pracy w temperaturze 85 stopni Celsjusz (185 Fahrenheita). Tę przełomową metodę opisano w badaniu zamieszczonym na okładce magazynu Nauka.
Laboratorium Rice opracowuje nową chemię, aby osiągnąć komercyjnie odpowiednią stabilność i wydajność perowskitowych ogniw słonecznych. Źródło: Brandon Martin/Uniwersytet Rice
„W tej chwili uważamy, że jest to najnowocześniejszy produkt pod względem stabilności” – powiedziała inżynier Rice Aditya Mohite, którego laboratorium osiągnęło w ciągu ostatnich kilku lat stopniową poprawę trwałości i wydajności perowskitów. „Perowskitowe ogniwa słoneczne mogą zrewolucjonizować produkcję energii, ale osiągnięcie długotrwałej stabilności było poważnym wyzwaniem”.
Zwiększanie stabilności perowskitowych ogniw słonecznych
Dzięki temu najnowszemu przełomowi Mohite i współpracownicy osiągnęli kluczowy kamień milowy w przygotowaniu fotowoltaiki perowskitowej na rynek. Kluczem było „doprawienie” roztworu prekursora FAPbI3 posypką specjalnie zaprojektowanych dwuwymiarowych (2D) perowskitów. Posłużyły one jako szablon kierujący wzrostem perowskitu w masie/3D, zapewniając dodatkową kompresję i stabilność struktury sieci krystalicznej.
„Kryształy perowskitu ulegają rozbiciu na dwa sposoby: chemicznie ⎯ niszcząc cząsteczki tworzące kryształ ⎯ i strukturalnie ⎯ zmieniając kolejność cząsteczek, tworząc inny kryształ” – powiedział Isaac Metcalf, absolwent nauk o materiałach i nanoinżynierii Rice oraz główny autor książki badanie. „Spośród różnych kryształów stosowanych w ogniwach słonecznych najbardziej stabilne chemicznie są jednocześnie najmniej stabilne strukturalnie i odwrotnie. FAPbI3 znajduje się na strukturalnie niestabilnym końcu tego spektrum.”
Poprawa wydajności i trwałości
Chociaż perowskity 2D są bardziej stabilne niż FAPbI3, zarówno pod względem chemicznym, jak i strukturalnym, zazwyczaj nie radzą sobie zbyt dobrze z wychwytywaniem światła, co czyni je złym wyborem materiału na ogniwa słoneczne. Naukowcy postawili jednak hipotezę, że perowskity 2D stosowane jako szablony do hodowli folii FAPbI3 mogą nadawać tym ostatnim ich stabilność. Aby przetestować ten pomysł, opracowano cztery różne typy perowskitów 2D ⎯ dwa o strukturze powierzchni prawie nie do odróżnienia od struktury FAPbI3 i dwa mniej dopasowane ⎯ i wykorzystano je do wytworzenia różnych formuł folii FAPbI3.
„Dodanie dobrze dopasowanych kryształów 2D ułatwiło tworzenie się kryształów FAPbI3, podczas gdy słabo dopasowane kryształy 2D w rzeczywistości utrudniły ich tworzenie, co potwierdza naszą hipotezę” – powiedział Metcalf. „Filmy FAPbI3 z matrycą kryształów 2D były wyższej jakości, wykazywały mniej zaburzeń wewnętrznych i wykazywały silniejszą reakcję na oświetlenie, co przełożyło się na wyższą wydajność”.
Szablony kryształów 2D poprawiły nie tylko wydajność ogniw słonecznych FAPbI3, ale także ich trwałość. Podczas gdy ogniwa słoneczne bez kryształów 2D uległy znacznej degradacji po dwóch dniach wytwarzania energii elektrycznej ze światła słonecznego w powietrzu, ogniwa słoneczne z szablonami 2D nie zaczęły ulegać degradacji nawet po 20 dniach. Dodając warstwę kapsułkującą do ogniw słonecznych z szablonami 2D, stabilność uległa dalszej poprawie w skali czasowej zbliżonej do znaczenia komercyjnego.
Odkrycia te mogą mieć rewolucyjny wpływ na technologie pozyskiwania światła, czyli fotowoltaikę, jeszcze bardziej obniżając koszty produkcji i umożliwiając budowę paneli słonecznych o uproszczonej konstrukcji, które są lżejsza i bardziej elastyczna niż ich odpowiedniki na bazie krzemu.
Potencjał perowskitowych paneli słonecznych
„Perowskity są rozpuszczalne w roztworze, więc można wziąć atrament z prekursora perowskitu i rozprowadzić go na kawałku szkła, a następnie podgrzać i otrzymać warstwę absorbującą dla ogniwa słonecznego” – powiedział Metcalf. „Ponieważ nie są potrzebne bardzo wysokie temperatury ⎯ folie perowskitowe można przetwarzać w temperaturach poniżej 150 stopni Celsjusza (302 Fahrenheita) ⎯ teoretycznie oznacza to również, że perowskitowe panele słoneczne można wytwarzać na podłożach plastikowych, a nawet elastycznych, co może jeszcze bardziej obniżyć koszty. ”
Chociaż jest to najczęściej stosowany półprzewodnik w ogniwach fotowoltaicznych, krzem wiąże się z procesami produkcyjnymi, które wymagają więcej zasobów niż w przypadku pojawiających się alternatyw. Wśród nich perowskity halogenkowe wyróżniają się gwałtownie rosnącą wydajnością, która wzrosła z 3,9% w 2009 r. do ponad obecnie 26%..
„Wytwarzanie wysokiej jakości perowskitowych paneli słonecznych powinno być znacznie tańsze i mniej energochłonne w porównaniu z wysokiej jakości panelami krzemowymi, ponieważ przetwarzanie jest o wiele łatwiejsze” – powiedział Metcalf.
Patrząc w stronę zrównoważonej przyszłości
„Musimy pilnie przekształcić nasz globalny system energetyczny w bezemisyjną alternatywę” – dodał Metcalf, wskazując Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu ONZ szacuje, że „przedstawcie mocne argumenty za energią słoneczną jako alternatywą dla paliw kopalnych”.
Mohite podkreślił, że postęp w technologiach i infrastrukturze energii słonecznej ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia tego celu docelowy poziom emisji gazów cieplarnianych na rok 2030 oraz zapobieganie wzrostowi globalnej temperatury o 1,5 stopnia Celsjusza, co „wówczas skierowałoby nas na właściwy kurs do osiągnięcia zerowa emisja dwutlenku węgla netto emisji do 2050 r.”
„Jeśli nie powstanie energia słoneczna, nie zajdą żadne inne procesy opierające się na zielonych elektronach z sieci, takie jak procesy termochemiczne lub elektrochemiczne w produkcji chemicznej” – powiedział Mohite. „Fotowoltaika ma absolutnie kluczowe znaczenie.”
Mohite jest profesorem powierniczym Williama M. Rice’a w firmie Rice, profesorem inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz dyrektorem wydziału Rice Engineering Initiative for Energy Transition and Sustainability. Oprócz Metcalfa głównym autorem badania jest Siraj Sidhik, absolwent studiów doktoranckich w firmie Rice.
„Chciałbym wyrazić wielkie uznanie Sirajowi, który rozpoczął ten projekt w oparciu o teoretyczny pomysł profesora Jacky’ego Evena na Uniwersytecie w Rennes” – powiedział Mohite. „Chciałbym także podziękować naszym współpracownikom w laboratoriach krajowych oraz na kilku uniwersytetach w USA i za granicą, których pomoc odegrała kluczową rolę w tej pracy”.
Odniesienie: „Dwuwymiarowe szablony perowskitu do trwałych, wydajnych ogniw słonecznych z perowskitu formamidynowego” autorstwa Siraj Sidhik, Isaac Metcalf, Wenbin Li, Tim Kodalle, Connor J. Dolan, Mohammad Khalili, Jin Hou, Faiz Mandani, Andrew Torma, Hao Zhang, Rabindranath Garai, Jessica Persaud, Amanda Marciel, Itzel Alejandra Muro Puente, GN Manjunatha Reddy, Adam Balvanz, Muhammad A. Alam, Claudine Katan, Esther Tsai, David Ginger, David P. Fenning, Mercouri G. Kanatzidis, Carolin M. Sutter- Fella, Jacky Even i Aditya D. Mohite, 13 czerwca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.abq6993
Badania były wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Fundację Hertz, Narodową Fundację Naukową, Laboratorium Badawcze Sił Powietrznych, Biuro Badań Marynarki Wojennej, Biuro Badań Armii, Chińską Radę Stypendialną (202107990007), Institut Universitaire de France oraz Niemiecka Fundacja Nauki. Za treść tej informacji prasowej odpowiadają wyłącznie autorzy i niekoniecznie odzwierciedlają oficjalne poglądy darczyńców.
