„Adezivul molecular” crește eficiența și face ca celulele solare perovskite să devină mult mai fiabile în timp

Cercetătorii au folosit „adeziv molecular” auto-asamblat monostrat pentru a consolida interfețele din celulele solare perovskite pentru a le face mai eficiente, stabile și fiabile. Credit: Laboratorul Padture / Universitatea Brown

O echipă de cercetători de la Universitatea Brown a făcut un mare pas către îmbunătățirea fiabilității pe termen lung a celulelor solare perovskite, o nouă tehnologie de energie curată. Într-un studiu care va fi publicat vineri, 7 mai 2021, în jurnal ştiinţă, echipa demonstrează un „adeziv molecular” care menține o interfață cheie în interiorul celulelor de la degradare. Tratamentul crește dramatic stabilitatea și fiabilitatea celulelor în timp, îmbunătățind în același timp eficiența cu care transformă lumina soarelui în electricitate.

„Au existat progrese majore în creșterea eficienței conversiei energetice a celulelor solare perovskite”, a spus Nitin Padture, profesor de inginerie la Universitatea Brown și autor principal al noii cercetări. „Dar ultimul obstacol care trebuie eliminat înainte ca tehnologia să fie găsită pe scară largă este fiabilitatea – crearea de celule care își mențin performanța în timp. Acesta este unul dintre lucrurile la care a lucrat echipa mea de cercetare și suntem bucuroși să raportăm progrese semnificative. “

Perovskitele sunt o clasă de materiale cu o structură atomică cristalină specială. Cu puțin peste un deceniu în urmă, cercetătorii au arătat că perovskitele sunt foarte bune la absorbția luminii, ceea ce a stârnit o inundație de noi cercetări asupra celulelor solare ale perovskitului. Eficiența acestor celule a crescut rapid și acum rivalizează cu celulele tradiționale din siliciu. Diferența este că absorbtoarele de lumină perovskite pot fi făcute aproape de temperatura camerei, în timp ce siliciul trebuie să crească de la un punct de topire la o temperatură care se apropie de 2.700 de grade. Fahrenheit. Filmele de perovskit sunt, de asemenea, de aproximativ 400 de ori mai subțiri decât plasele din silicon. Ușurința relativă a proceselor de producție și utilizarea unui material mai mic înseamnă că celulele perovskite pot fi realizate la o fracțiune din costul celulelor de siliciu.

În timp ce îmbunătățirea eficienței în perovskit a fost extraordinară, spune Padture, a face ca celulele să fie mai stabile și mai fiabile a rămas o provocare. O parte a problemei are legătură cu stratificarea necesară pentru ca o celulă să funcționeze. Fiecare celulă conține cinci sau mai multe straturi distincte, fiecare îndeplinind o funcție diferită în procesul de generare a energiei electrice. Deoarece aceste straturi sunt realizate din materiale diferite, ele reacționează diferit la forțele externe. De asemenea, modificările de temperatură care apar în timpul procesului de fabricație și în timpul service-ului pot determina extinderea sau micșorarea mai multor acoperiri decât altele. Acest lucru creează solicitări mecanice la interfețele stratului care pot determina detașarea straturilor. Dacă interfețele sunt compromise, performanța celulei scade.

Cea mai slabă dintre aceste interfețe este cea dintre filmul Perovsk folosit pentru a absorbi lumina și stratul de transport al electronilor, care continuă să curgă curent prin celulă.

„Un lanț este la fel de puternic ca cea mai slabă verigă a sa și am identificat această interfață ca fiind cea mai slabă parte a întregului teanc, unde eșecul este cel mai probabil”, a spus Padture, care conduce Institutul pentru Inovare Moleculară și Nanoscală din Brown. “Dacă îl putem consolida, atunci putem începe să îmbunătățim real fiabilitatea.”

Pentru a face acest lucru, Padture și-a folosit experiența ca om de știință în materie de materiale, dezvoltând învelișuri ceramice avansate utilizate în motoarele de aeronave și alte aplicații de înaltă performanță. El și colegii săi au început să experimenteze compuși cunoscuți ca monostraturi auto-asamblate sau SAM-uri.

„Aceasta este o mare clasă de machiaj”, a spus Padture. „Când le puneți pe o suprafață, moleculele se reunesc într-un singur strat și cresc ca niște fire de păr scurte. Folosind formularea potrivită, puteți crea legături puternice între aceste compoziții și toate tipurile diferite de suprafețe. “

Padture și echipa sa au descoperit că o formulare de SAM cu siliciu atom pe de o parte, și atomul de iod pe de altă parte, pot forma legături puternice atât cu stratul de transport al electrodului (care este de obicei realizat din oxid de staniu), cât și cu stratul de absorbție a luminii perovskit. Echipa spera că legăturile formate de aceste molecule ar putea întări interfața stratului. Și au avut dreptate.

“Când am introdus SAM la interfață, am constatat că crește rezistența la ruperea interfeței cu aproximativ 50%, ceea ce înseamnă că toate fisurile care se formează la interfață nu tind să se răspândească prea departe”, a spus Padture. „Deci, de fapt, SAM-urile devin un fel de adeziv molecular care ține cele două straturi laolaltă”.

Testarea funcției celulelor solare a arătat că SAM-urile au crescut dramatic viața funcțională a celulelor perovskite. Celulele non-SAM pregătite pentru studiu și-au menținut 80% din eficiența inițială pentru aproximativ 700 de ore de testare de laborator. Între timp, celulele SAM continuau să fie puternice după 1.330 de ore de testare. Pe baza acestor experimente, cercetătorii prezic că viața cu o eficiență conservată de 80% va fi de aproximativ 4.000 de ore.

„Unul dintre celelalte lucruri pe care le-am făcut, ceea ce oamenii nu fac în mod normal, este că am deschis celulele după test”, a spus Zhenghong Dai, doctorand Brown și primul autor al cercetării. „În celulele de control fără SAM, am văzut tot felul de daune, precum goluri și fisuri. Dar cu SAM, interfețele dure arătau foarte bine. A fost o îmbunătățire dramatică care ne-a șocat cu adevărat. ”

Important, a spus Padture, îmbunătățirea rezistenței nu a costat costul eficienței conversiei energiei. De fapt, SAM-urile au îmbunătățit eficiența celulei cu o cantitate mică. Acest lucru s-a întâmplat deoarece SAM-urile au eliminat micile defecte moleculare care se formează atunci când ambele straturi se leagă în absența SAM-urilor.

„Prima regulă în îmbunătățirea integrității mecanice a echipamentelor funcționale este„ nu face rău “, a spus Padture.„ Astfel încât să putem îmbunătăți fiabilitatea fără a pierde eficiența – și chiar a îmbunătăți eficiența – a fost o surpriză plăcută. “

SAM-urile în sine sunt fabricate din ingrediente ușor disponibile și se aplică cu ușurință cu un proces de acoperire prin picurare la temperatura camerei. Așadar, adăugarea SAM ar putea adăuga un pic la costul de producție, a spus Padture.

Cercetătorii intenționează să se bazeze pe acest succes. Acum, că au întărit cea mai slabă verigă din stiva de celule solare Perovskite, ar dori să treacă la următoarea cea mai slabă, apoi la cealaltă, și așa mai departe, până când vor întări întreaga stivă. Această lucrare va implica consolidarea nu numai a interfețelor, ci și a straturilor de materiale în sine. Recent, grupul de cercetare Padture a câștigat o subvenție de 1,5 milioane de dolari de la Departamentul Energiei din SUA pentru a-și extinde cercetarea.

“Acesta este genul de cercetare care este necesar pentru a face celule care sunt ieftine, eficiente și performante bine de zeci de ani”, a spus Padture.

Referință: 7 mai 2021, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abf5602

Srinivas K. Yadavalli, Min Chen, Ali Abbaspourtamijani și Yue Qi au fost co-autori ai cercetării, care a fost finanțată de Oficiul pentru Cercetări Marine (N00014-17-1-2232 și N00014-20-1-2574) și National Science Foundation (1538893 și 2002158).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.