Kilde: oist.jp
Forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har oprettet næste generations solcellemoduler med høj effektivitet og god stabilitet. Disse solcellemoduler er fremstillet ved hjælp af en type materiale, der kaldes perovskitter, og har en høj ydelse i over 2000 timer. Deres fund, rapporteret 20. juli 2020 i det førende tidsskrift, Nature Energy, har lyset udsigterne til kommercialisering.
Perovskitter har potentialet til at revolutionere solteknologisektoren. Fleksible og lette, de lover mere alsidighed end de tunge og stive siliciumbaserede celler, der i øjeblikket dominerer markedet. Men forskere skal overvinde nogle store forhindringer, før perovskitter kan kommercialiseres.
”Der er tre betingelser, som perovskitter skal opfylde: de skal være billige at producere, meget effektive og have en lang levetid,” sagde professor Yabing Qi, leder af OISTEnhed for energimaterialer og overfladevidenskaber, der ledede denne undersøgelse.
En demonstration af en perovskit solcelle
Omkostningerne ved fremstilling af perovskit solceller er lave, da de billige råvarer kræver lidt energi til at behandle. Og på lidt over et årti har forskere gjort store fremskridt med at forbedre, hvor effektivt perovskite solceller konverterer sollys til elektricitet, med effektivitetsniveauer, der nu kan sammenlignes med siliciumbaserede celler.
Når der først er opskaleret fra små solceller til større solcellemoduler, springer effektivitetsniveauerne for perovskitter. Dette er problematisk, da kommerciel solteknologi er nødt til at forblive effektiv i størrelsen på solcellepaneler, flere fod i længden.
”Opskalering er meget krævende; eventuelle defekter i materialet bliver mere udtalt, så du har brug for materialer af høj kvalitet og bedre fremstillingsteknikker, ”forklarede Dr. Luis Ono, en medforfatter til denne undersøgelse.
(Venstre) OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit arbejder med solceller og moduler af forskellig størrelse. (Til højre) I denne undersøgelse arbejdede forskerne med 5 cm x 5 cm solmoduler.
Perovskites ustabilitet er et andet vigtigt spørgsmål under intens undersøgelse. Kommercielle solceller skal være i stand til at modstå års drift, men i øjeblikket perovskit solceller nedbrydes hurtigt.
Opbygning af lagene
Professor Qis team, støttet af OIST Technology Development and Innovation Center's Proof-of-Concept-program, behandlede disse stabilitets- og effektivitetsproblemer ved hjælp af en ny tilgang. Perovskite solenheder består af flere lag - hver med en bestemt funktion. I stedet for at fokusere på kun et lag, så de på enhedens samlede ydelse og hvordan lagene interagerer med hinanden.
Det aktive perovskitlag, der absorberer sollys, ligger i midten af enheden, klemt fast mellem de andre lag. Når lysfotoner rammer det perovskitiske lag, udnytter negativt ladede elektroner denne energi og "hopper" til et højere energiniveau, hvilket efterlader positivt ladede "huller", hvor elektronerne plejede at være. Disse ladninger dirigeres derefter i modsatte retninger i elektron- og hultransportlag over og under det aktive lag. Dette skaber en strøm af ladning - eller elektricitet - der kan forlade solenheden via elektroder. Enheden er også indkapslet af et beskyttende lag, der reducerer nedbrydning og forhindrer, at giftige kemikalier lækker ud i miljøet.
Perovskite solceller og moduler består af mange lag, der hver har en bestemt funktion. Forskerne tilføjede eller modificerede lagene fremhævet i orange.
I undersøgelsen arbejdede forskerne med solcellemoduler, der var 22,4 cm2.
Forskerne forbedrede først grænsefladen mellem det perovskit aktive lag og elektrontransportlaget ved at tilføje et kemikalie kaldet EDTAK mellem de to lag. De fandt, at EDTAK forhindrede, at tinoxid-elektrontransportlaget reagerede med det perovskite aktive lag, hvilket øgede solcellemodulets stabilitet.
EDTAK forbedrede også effektiviteten af det perovskitiske solmodul på to forskellige måder. For det første flyttede kalium i EDTAK sig ind i det aktive perovskitlag og "helede" små mangler på perovskitoverfladen. Dette forhindrede disse mangler i at fange de bevægende elektroner og huller, hvilket gjorde det muligt at generere mere elektricitet. EDTAK øgede også ydeevnen ved at forbedre de ledende egenskaber for tinoxid-elektrontransportlaget, hvilket gjorde det lettere at opsamle elektroner fra perovskitlaget.
Forskerne foretog lignende forbedringer af grænsefladen mellem det perovskite aktive lag og hultransportlaget. Denne gang tilføjede de en type perovskit kaldet EAMA mellem lagene, hvilket forbedrede muligheden for hultransportlag til at modtage huller.
Den EAMA-behandlede enhed viste også bedre stabilitet under fugtigheds- og temperaturforsøg. Dette skyldtes, hvordan EAMA interagerede med overfladen af det perovskite aktive lag, som er en mosaik af krystalkorn. I solenheder uden EAMA så forskerne, at der dannede revner på overfladen af det aktive lag, der stammede fra grænserne mellem disse korn. Da forskerne tilføjede EAMA, observerede de, at det ekstra perovskitemateriale fyldte korngrænserne og stoppede fugtighed i at komme ind, hvilket forhindrede, at disse revner blev dannet.
Holdet modificerede også selve hulletransportlaget ved at blande en lille mængde polymer kaldet PH3T. Denne polymer øgede fugtmodstand ved at give laget vandafvisende egenskaber.
Polymeren løste også et stort problem, der tidligere har hæmmet forbedringer af stabiliteten på lang sigt. Elektroden på toppen af det perovskitiske solmodul er dannet af tynde guldstrimler. Men over tid vandrer små guldpartikler fra elektroden, gennem hultransportlaget og ind i det aktive perovskitlag. Dette ødelægger enhedens ydeevne.
Da forskerne inkorporerede PH3T, fandt de, at guldpartiklerne vandrede langsomt ind i enheden, hvilket markant øgede modulets levetid.
For deres endelige forbedring tilføjede forskerne et tyndt lag af polymeren, parylen, udover glas, for at give et beskyttende overtræk til solmodulet. Med denne ekstra beskyttelse fastholdt solcellemodulerne ca. 86% af deres oprindelige ydelse, selv efter 2000 timers konstant belysning.
I samarbejde med Dr. Said Kazaoui ved National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) testede OIST-teamet de forbedrede solmoduler og opnåede en effektivitet på 16,6% - en meget høj effektivitet for et solmodul af den størrelse. Forskerne sigter nu mod at udføre disse ændringer på større solcellemoduler, der fører vejen mod udvikling af storskala, kommerciel solteknologi i fremtiden.
