Среда, 21 февраля, 2024
ДомойТехнологииНовое достижение может сделать солнечные панели в 2–4 раза дешевле

Новое достижение может сделать солнечные панели в 2–4 раза дешевле

- Advertisement -

Солнечные элементы из перовскита, подобные этому, созданные группой Сивэнь Гонга, могли бы сделать солнечную энергию более дешевой и экологически чистой, но они разлагаются быстрее, чем кремний. В исследовании, опубликованном в журнале Matter, команда обнаружила, как продлить срок службы черной перовскитной пленки. Фото: Чжэнтао Ху, Лаборатория Гун, Мичиганский университет.

Полученные результаты могут позволить инженерам систематически идентифицировать наиболее эффективные молекулы для продления срока службы перовскитных солнечных элементов, отходя от трудоемких методов проб и ошибок.

Открытие Мичиганского университета дает ключевую информацию о предотвращении быстрой деградации перовскита. полупроводники. Это достижение потенциально может привести к созданию солнечных элементов, которые будут в два-четыре раза дешевле, чем нынешние тонкопленочные солнечные панели.

Перовскиты также можно комбинировать с полупроводниками на основе кремния, которые преобладают в современных солнечных батареях, для создания «тандемные» солнечные батареи что может превзойти максимальную теоретическую эффективность кремниевых солнечных элементов.

«Кремниевые солнечные элементы великолепны, потому что они очень эффективны и могут работать очень долго, но высокая эффективность обходится дорого», — сказал Сивэнь Гонг, доцент кафедры химического машиностроения UM. «Чтобы сделать кремний высокой чистоты, необходима температура более 1000 градусов. Цельсия необходимы. В противном случае эффективность будет не такой высокой».

Проблемы с перовскитными солнечными элементами

Высокая температура влечет за собой более высокие экономические и экологические издержки. Но хотя перовскиты можно производить и при более низких температурах, они разлагаются под воздействием тепла, влаги и воздуха. В результате срок службы перовскита сегодня слишком короток, чтобы быть коммерчески конкурентоспособным в солнечных батареях.

Исследование Гонг направлено на создание более прочных перовскитных солнечных элементов, а ее последнее исследование, опубликованное в журнале Matter, предполагает, что объемистые молекулы, «усмиряющие дефекты», лучше всего повышают стабильность перовскитов и общую продолжительность их жизни.

Команда Сивэнь Гонга разработала эти три молекулярные добавки, чтобы изучить, как размер и конфигурация добавки влияют на стабильность перовскитных пленок — класса материалов, которые можно использовать для изготовления высокоэффективных и недорогих солнечных элементов. Добавки могут предотвратить рост дефектов, которые снижают эффективность солнечных элементов, в разрывах кристаллической решетки перовскита, известных как границы зерен. Решетка перовскита показана в виде массива желтых ромбов, а места дефектов показаны темно-синими пунктирными кружками. Пунктирные черные линии изображают связи, которые потенциально могут образовываться между перовскитом и добавками. Самая объемистая молекула покрывает большинство дефектов на поверхности зерен перовскита, а также увеличивает общий размер зерен в процессе производства. Более крупные зерна перовскита приводят к более низкой плотности границ зерен по всей пленке, что уменьшает количество мест, где могут образовываться дефекты. Фото: Карлос А. Фигероа Моралес, Лаборатория Гонга, Мичиганский университет.

Понимание дефектов перовскита

Кристаллы перовскита содержат атомы свинца, которые не полностью связаны с другими компонентами перовскита. Такие «недосогласованные участки» представляют собой дефекты, часто встречающиеся на поверхности кристаллов и на границах зерен, где происходит разрыв кристаллической решетки. Эти дефекты препятствуют движению электронов и ускоряют распад перовскитного материала.

Инженеры уже знают, что смешивание молекул, усмиряющих дефекты, с перовскитами может помочь заблокировать недостаточно координированный свинец, в свою очередь предотвращая образование других дефектов при высоких температурах. Но до сих пор инженеры не знали точно, как та или иная молекула влияет на устойчивость клеток перовскита.

«Мы хотели выяснить, какие особенности молекул конкретно улучшают стабильность перовскита», — сказал Хонки Ким, бывший научный сотрудник в области химического машиностроения и один из первых авторов исследования.

Исследования перовскитных добавок

Чтобы исследовать проблему, команда Гонга создала три добавки разной формы и размера и добавила их в тонкие пленки кристаллов перовскита, которые могут поглощать свет и преобразовывать его в электричество. Каждая добавка содержала одинаковые или похожие химические строительные блоки, поэтому размер, вес и расположение были основными отличительными свойствами.

Докторант Карлос Алехандро Фигероа Моралес помещает образец тонкой пленки перовскита в спектрометр, который измеряет светоизлучающие свойства перовскитов. Изменения в том, как пленки перовскита излучают свет, когда они изготовлены с использованием различных молекул добавок, могут показать, сколько дефектов находится внутри перовскита. Фото: Чжэнтао Ху, Лаборатория Гун, Мичиганский университет.

Затем команда измерила, насколько сильно различные добавки взаимодействуют с перовскитами и, следовательно, влияют на образование дефектов в пленках. Молекулы большего размера лучше прилипали к перовскиту, поскольку у них было больше мест связывания, которые взаимодействуют с кристаллами перовскита. В результате они, как правило, лучше предотвращали образование дефектов.

Но лучшие добавки также должны были занимать много места. Большие, но тонкие молекулы привели к образованию меньших зерен перовскита в процессе производства. Зерна меньшего размера не идеальны, поскольку они также создают ячейки перовскита с большим количеством границ зерен или большим количеством областей для образования дефектов. Напротив, объемные молекулы заставляли образовываться более крупные зерна перовскита, что, в свою очередь, уменьшало плотность границ зерен в пленке.

Влияние размера и формы добавки

Нагревание пленок перовскита до температуры более 200 градусов по Цельсию подтвердило, что объемистые добавки помогли пленкам сохранить свой характерный грифельно-черный цвет и развить меньше структурных дефектов.

«При разработке добавок важны как размер, так и конфигурация, и мы считаем, что эта философия дизайна может быть реализована в различных рецептурах перовскита для дальнейшего увеличения срока службы перовскитных солнечных элементов, светоизлучающих устройств и фотодетекторов», — сказал Карлос Алехандро Фигероа Моралес, докторант. студент факультета макромолекулярной науки и техники и один из первых авторов исследования.

Ссылка: «Молекулярный дизайн пассиваторов дефектов для термостабильных металлогалогенидных перовскитных пленок», авторы: Хонки Ким, Карлос А. Фигероа Моралес, Сиджун Сеонг, Чжэнтао Ху, Нэнси Муянджа, Сайвинит Пенукула, Тони Чжэн, Закари Пиццо, Карисса С. Йим, Андрей Ленерт, Николас Ролстон и Сивэнь Гонг, 9 января 2024 г., Иметь значение.
DOI: 10.1016/j.matt.2023.12.003

Сивэнь Гонг также является доцентом кафедры электротехники и вычислительной техники, материаловедения и инженерии, макромолекулярной науки и техники, а также прикладной физики. Исследование финансировалось Мичиганским университетом и проводилось с использованием сканирующего электронного микроскопа, финансируемого Национальным научным фондом. Соавтор Нэнси Муянджа руководила микроскопическими измерениями в Мичиганском центре характеристики материалов.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме