211service.com
Kontrolowane kryształy sprawiają, że nowy materiał słoneczny jest praktyczny
Nowy sposób kontrolowania wzrostu materiałów krystalicznych zwanych perowskitami może doprowadzić do powstania komercyjnych ogniw słonecznych, które trafią w optymalny punkt wysokiej wydajności i niskich kosztów. Chociaż poszczególne ogniwa perowskitowe osiągnęły obiecujące wyniki w laboratorium, do tej pory nie było jasne, w jaki sposób można je wytwarzać w jednolitych partiach.
Niektóre perowskity mogą bardzo wydajnie zbierać energię światła słonecznego, ponieważ silnie pochłaniają zarówno światło widzialne, jak i podczerwone. I w przeciwieństwie do folii krzemowych, które są wytwarzane w wysokich temperaturach, folie perowskitowe można wytwarzać z roztworu w znacznie niższych temperaturach. Powinno być możliwe wytwarzanie ogniw słonecznych z perowskitu przy użyciu tanich i energooszczędnych metod, takich jak drukowanie.
Pierwsze ogniwa perowskitowe powstały w 2009 roku, ale najlepiej już może się przekonwertować 17,9 procent energii słonecznej na energię elektryczną. To zaczyna być konkurencyjne dla komercyjnych ogniw cienkowarstwowych, takich jak tellurku kadmu i krzemu, mówi Timothy Kelly , chemik na Uniwersytecie Saskatchewan w Saskatoon w Kanadzie.
Jednak konsekwentne wytwarzanie wysokiej jakości perowskitowych ogniw słonecznych okazało się trudne. W dotychczas wykonanych partiach istnieje duże zróżnicowanie tego, jak skutecznie poszczególne ogniwa mogą zamieniać światło na energię elektryczną. Kiedy zrobisz 10 różnych ogniw perowskitowych, uzyskasz 10 różnych wydajności, mówi Prashant Kamat , chemik na Uniwersytecie Notre Dame w Indianie. To frustrujące.
Problem jest spowodowany zmiennością wielkości kryształów w różnych komórkach. Dla elektronów w ogniwie słonecznym granice między kryształami są jak ściany, więc większe kryształy stwarzają mniej przeszkód w przepływie elektryczności. Nowe badania opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Natura Nanotechnologia może zapewnić sposób na rozwiązanie tego problemu, pokazując, jak kontrolować wzrost kryształów perowskitu.
Perowskit opracowywany do ogniw słonecznych ma listę składników, która obejmuje węglowodór, amoniak, ołów i jod. Istnieje wiele perowskitów — nazwa odnosi się do struktury krystalicznej tych materiałów — ale ten konkretny jest najbardziej obiecujący do zastosowania w ogniwach słonecznych. Kryształy powstają w dwuetapowym procesie, który rozpoczyna się od pokrycia powierzchni roztworem jodku ołowiu i pozostawienia jej do wyschnięcia. Następnie powierzchnię powleka się roztworem jodku metyloamonowego. Gdy wysycha, związki z dwóch warstw łączą się, tworząc kryształy perowskitu.
Michał Grätzel , chemik w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne w Szwajcarii oraz Park Nam-Gyu , chemik z Uniwersytetu Sungkyunkwan w Korei, opracowali teraz receptę na przejęcie kontroli nad tym procesem. Odkryli, że dzięki starannej kontroli stężeń roztworów wyjściowych i innych warunków przetwarzania mogli konsekwentnie wytwarzać folie perowskitowe z większymi kryształami potrzebnymi do wydajnego ogniwa słonecznego.
Grupy szwajcarskie i koreańskie wykorzystały te metody do produkcji ogniw słonecznych z perowskitu o średniej wydajności 16,4 procent i bardzo małej zmienności wydajności między różnymi ogniwami.
Park mówi, że teraz, kiedy można niezawodnie wykonać wysokiej jakości perowskit, czas zająć się innymi problemami z materiałem. Jednym z nich jest to, że wilgoć powoduje rozkład materiałów i wyciek metyloamonu. Park twierdzi, że naukowcy muszą albo znaleźć sposób na uszczelnienie ogniw słonecznych z perowskitu przed wilgocią, albo znaleźć nowe wersje materiałów. Innym problemem jest to, że materiały są wykonane z ołowiu, który jest toksyczny.
Nauczywszy się z tych materiałów, powinniśmy przejść do innych, ponieważ ołów nie jest łagodny dla środowiska, a ten materiał nie jest stabilny, mówi Mercouri Kanatzidis , chemik z Northwestern University w Illinois. On i materiałoznawca z Northwestern Robert Chang opracowali bezołowiowy perowskit, który zastępuje cynę. Obecnie zamienia światło na energię elektryczną tylko z wydajnością 6%. Ale obaj są optymistami, wskazując na to, że materiały na bazie ołowiu uległy gwałtownej poprawie z około 3 procent w 2009 roku do około 18 procent dzisiaj.
W międzyczasie Grätzel uważa, że istniejące materiały nie osiągnęły jeszcze swoich górnych granic wydajności. Myślę, że 20-procentowa wydajność powinna być możliwa w najbliższej przyszłości, mówi.