Källa: oist.jp
Forskare från Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har skapat nästa generations solmoduler med hög effektivitet och god stabilitet. Tillverkad med hjälp av en typ av material som kallas perovskiter, kan dessa solmoduler upprätthålla en hög prestanda i över 2000 timmar. Deras resultat, rapporterade 20 juli 2020 i ledande tidskrift, Nature Energy, har ljusnat utsikterna för kommersialisering.
Perovskiter har potential att revolutionera solteknikindustrin. Flexibla och lätta, de lovar mer mångsidighet än de tunga och styva kisel-baserade celler som för närvarande dominerar marknaden. Men forskarna måste övervinna några stora hinder innan perovskiter kan kommersialiseras.
"Det finns tre villkor som perovskiter måste uppfylla: de måste vara billiga att producera, mycket effektiva och har en lång livslängd" säger professor Yabing Qi, chef för OISTEnheten för energimaterial och ytvetenskap, som ledde denna studie.
En demonstration av en Perovskite Solar Cell
Kostnaden för att göra perovskit solceller är låg, eftersom de billiga råvarorna kräver lite energi att bearbeta. Och i drygt ett decennium, forskare har gjort stora framsteg för att förbättra hur effektivt perovskit solceller omvandla solljus till el, med effektivitetsnivåer nu jämförbara med de av kisel-baserade celler.
Men när skalas upp från små solceller till större solmoduler, effektivitetsnivåerna för perovskiter rasar. Detta är problematiskt eftersom kommersiell solteknik måste förbli effektiv på storleken på solpaneler, flera meter i längd.
" Uppskalning är mycket krävande; eventuella defekter i materialet blir mer uttalad så du behöver högkvalitativa material och bättre tillverkningstekniker," förklarade Dr Luis Ono, en medförfattare till denna studie.
-Jag vet inte vad du säger. OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit arbetar med solceller och moduler av varierande storlek. (Höger) I denna studie arbetade forskarna med 5 cm x 5 cm solmoduler.
Instabiliteten i perovskiter är en annan viktig fråga under intensiv utredning. Kommersiella solceller måste kunna motstå år av drift men för närvarande perovskit solceller bryts ner snabbt.
Bygga upp lagren
Professor Qi team, med stöd av OIST Technology Development and Innovation Center's Proof-of-Concept Program, tog upp dessa stabilitets- och effektivitetsfrågor med hjälp av ett nytt tillvägagångssätt. Perovskite sol enheter består av flera lager - var och en med en specifik funktion. Istället för att fokusera på bara ett lager tittade de på enhetens övergripande prestanda och hur lagren interagerar med varandra.
Det aktiva perovskitskiktet, som absorberar solljus, ligger i mitten av enheten, inklämt mellan de andra skikten. När fotoner av ljus slår perovskitskiktet, negativt laddade elektroner utnyttja denna energi och "hoppa" till en högre energinivå, lämnar bakom positivt laddade "hål" där elektronerna brukade vara. Dessa laddningar avleds sedan i motsatta riktningar till elektron- och håltransportskikt ovanför och under det aktiva lagret. Detta skapar ett flöde av laddning - eller el - som kan lämna sol enheten via elektroder. Enheten är också inkapslad av ett skyddande skikt som minskar nedbrytningen och förhindrar att giftiga kemikalier läcker ut i miljön.
Perovskit solceller och moduler består av många lager, som alla har en specifik funktion. Forskarna lade till eller modifierade de lager som markerats i orange.
I studien arbetade forskarna med solmoduler som var 22,4 cm2.
Forskarna förbättrade först gränssnittet mellan perovskit aktiva lagret och elektrontransportskiktet, genom att lägga till en kemikalie som kallas EDTAK mellan de två skikten. De fann att EDTAK hindrade tennoxid elektron transportskiktet från att reagera med perovskit aktiva skiktet, vilket ökar stabiliteten i solmodulen.
EDTAK förbättrade också effektiviteten hos perovskitsolmodulen på två olika sätt. För det första flyttade kalium i EDTAK in i det aktiva perovskitskiktet och "läkt" små defekter på perovskitytan. Detta hindrade dessa defekter från att fånga rörliga elektroner och hål, vilket gör att mer el kan genereras. EDTAK ökade också prestanda genom att förbättra de ledande egenskaperna hos tennoxid elektron transportskiktet, vilket gör det lättare att samla in elektroner från perovskitskiktet.
Forskarna gjorde liknande förbättringar av gränssnittet mellan perovskit aktiva skiktet och hålet transportskiktet. Den här gången lade de till en typ av perovskit som kallas EAMA mellan skikten, vilket förbättrade möjligheten för hålet transportskiktet att ta emot hål.
Den EAMA-behandlade enheten visade också bättre stabilitet under fuktighet och temperaturtester. Detta berodde på hur EAMA interagerade med ytan av perovskit aktiva lagret, som är en mosaik av kristall korn. I solapparater utan EAMA, forskarna såg att sprickor bildas på ytan av det aktiva lagret, som härstammar från gränserna mellan dessa korn. När forskarna la EAMA, observerade de att ytterligare perovskit material fyllde korngränserna och stoppade fukt från att komma in, förhindra dessa sprickor bildas.
Teamet ändrade också själva hålet transportskiktet, genom att blanda i en liten mängd polymer som kallas PH3T. Denna polymer förstärkte fuktbeständigheten genom att förse lagret med vattenavvisande egenskaper.
Polymeren löste också en stor fråga som tidigare har hämmat förbättringar av långsiktig stabilitet. Elektroden ovanpå perovskitsolmodulen bildas av tunna remsor av guld. Men med tiden migrerar små guldpartiklar från elektroden, genom hålet transportskiktet och in i det aktiva perovskitskiktet. Detta försämrar felaktigt enhetens prestanda.
När forskarna införlivade PH3T, fann de att guldpartiklarna migrerade in i enheten långsammare vilket avsevärt ökade modulens livslängd.
För sin slutliga förbättring lade forskarna till ett tunt lager av polymeren, parylen, förutom glas, för att ge en skyddande beläggning till solmodulen. Med detta extra skydd behöll solmodulerna cirka 86% av sin ursprungliga prestanda, även efter 2000 timmars konstant belysning.
I samarbete med Dr Said Kazaoui vid National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), testade OIST-teamet de förbättrade solmodulerna och erhöll en effektivitet på 16,6% - en mycket hög effektivitet för en solmodul av den storleken. Forskarna strävar nu efter att genomföra dessa modifieringar på större solmoduler, vilket leder vägen mot utvecklingen av storskalig, kommersiell solteknik i framtiden.
