Jie pašalino tai, kas gadino saulės elementus. Efektyvumas šovė į viršų ()
Lenktynės dėl klasikinio silicio įpėdinio fotovoltikoje vyksta jau ne vienerius metus, tačiau nedaug technologijų poliarizuoja bendruomenę taip stipriai kaip perovskitai. Iš vienos pusės, tai inžinieriaus svajonė – medžiagos, kurias galima užnešti ant stiklo ar plėvelės naudojant santykinai paprastus procesus, projektuoti pagal užsakymą konkrečiam bangos ilgiui ir jungti į tandemus su jau esamomis plokštėmis. Tačiau iš kitos pusės, tai technologo košmaras, nes tie patys elementai per kelias dienas ar savaites gali prarasti didžiąją dalį savo efektyvumo.
© WikimediaImages (Free Pixabay license) | https://pixabay.com/photos/solar-power-photovoltaic-stations-835894/
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Ilgą laiką kaltė pirmiausia buvo verčiama nestabiliai alavo chemijai, kuri perovskitų struktūrose vaidina pagrindinį vaidmenį. Mokslininkai varžėsi idėjomis, kaip sustabdyti Sn2+ oksidaciją, kurdami vis sudėtingesnius priedus. Tačiau naujausias Rytų Kinijos universiteto ir Linköpingo universiteto tyrėjų darbas rodo, kad problema buvo užkoduota pačiame standartiniame šių elementų „recepte“. Paaiškėjo, kad pražūtinga buvo ne tiek pati perovskito prigimtis, kiek tam tikras technologinis įprotis, kurio ilgus metus niekas rimtai neanalizavo.
Alavo fluoridas, naudotas beveik intuityviai kaip kristalizaciją gerinantis priedas, pasirodė esąs tylus sabotažininkas. Užuot tik saugojęs alavą, fototerminės apkrovos metu jis įsitraukdavo į nepageidaujamas reakcijas su kitais aktyviojo sluoksnio komponentais. Mokslininkai įrodė, kad šią problemą įmanoma pašalinti.
Žalingas priedas demaskuotas. Alavo fluoridas pasirodė esąs pagrindinis kaltininkas
Mokslininkų komanda nustatė fototerminio nestabilumo šaltinį alavo ir švino elementuose. Paaiškėjo, kad pagrindinė problema buvo ne patys alavo jonai, kaip manyta anksčiau, o alavo fluoridas (SnF2), kuris buvo pridedamas į pirmtakus (prekursorius) kristalizacijai pagerinti. Šis komponentas sukeldavo parazitines reakcijas, lėmusias perovskito sluoksnio suirimą ir gretimų medžiagų degradaciją.
|
„Identifikavome ir paaiškinome anksčiau neatpažintą veiksnį, kuris skatina fototerminį saulės elementų, pagamintų alavo ir švino perovskitų pagrindu, nestabilumą. Tyrimas parodė, kad parazitinės SnF2 reakcijos sukelia perovskito skaidymąsi ir funkcinių įrenginio sluoksnių degradaciją“, – aiškina tyrimo bendraautoris Wenxiao Zhang.
Reakcijos buvo tokios agresyvios, kad variniai elektrodai ir ITO sluoksnis buvo pažeidžiami net kambario temperatūroje ir be šviesos poveikio. Todėl mokslininkai sukūrė alternatyvų metodą, kuriame visiškai atsisakoma SnF2. Kaip antioksidantą, reguliuojantį kristalizaciją, jie panaudojo švino miltelius, o proceso pabaigoje pridėjo švino fluorido (PbF2) paviršiaus defektų pasyvacijai.
Ką SnF2 gerino ir kaip kenkė?
Praktikoje SnF2 į alavo ir švino perovskitų receptūrą pateko prieš ilgą laiką dėl labai konkrečios priežasties. Alavo maišymas su švinu komplikavo kristalizacijos procesą – vienos sluoksnio dalys formavosi greičiau, kitos lėčiau, augo defektų skaičius, o atviros grandinės įtampa krito. Alavo fluoridas tapo patogiu pirmtakų stabilizatoriumi, nes turėjo palaikyti žemesnį alavo oksidacijos laipsnį, mažinti skylių koncentraciją ir lyginti plonos plėvelės susidarymo procesą. Žvelgiant tik į srovės ir įtampos kreivę, tai atrodė kaip akivaizdus pagerėjimas.
Problema ta, kad SnF2 nelieka pasyvus stebėtojas, kai elementas veikia veikiamas apkrovos ir padidėjusios temperatūros. Tyrimo autoriai parodė, kad fototerminėmis sąlygomis jis reaguoja su formamidinio jodidu – vienu pagrindinių perovskito gardelės blokų. Šalutinis produktas, be kita ko, yra fluoro vandenilio rūgštis, kuri cheminiu požiūriu yra blogiausias „svečias“, kokį tik galima pakviesti į sluoksniuotą struktūrą, kurioje yra indžio alavo oksido ir plonų metalinių elektrodų. Todėl degradacija nesustoja ties pačiu absorberiu, o skverbiasi gilyn į visą įrenginį, kol visam laikui pažeidžia kontaktus.
Efektyvumas šoktelėjo, o elementai tapo ilgaamžiškesni
Skirtumas tarp naujojo ir senojo metodo yra stulbinantis. Elementas, pagamintas be alavo fluorido, pasiekė rekordinį 24,07 % konversijos efektyvumą, o tradicinė versija su SnF2 priedu sustojo ties vos 16,43 %. Tai beveik pusantro karto didesnis šuolis, kurį sunku pavadinti nežymiu.
Vėliau buvo atlikti bandymai su mažais elementais (0,09 cm2 ploto), o tikrasis išbandymas buvo ilgaamžiškumo tyrimai. Ekstremaliomis sąlygomis – nuolatinio veikimo maksimalios galios taške prie 85 °C temperatūros – naujasis elementas išlaikė 60 % pradinio efektyvumo net po 550 valandų. Tai žymiai geresnis rezultatas nei ankstesnių konstrukcijų, kurios per tą laiką degraduodavo iki visiško nenaudingumo lygio.
Stabilių perovskitų su alavu kūrimas yra reiklus procesas. Būtina dirbti atmosferoje su minimaliu deguonies kiekiu, tiksliai kontroliuoti sluoksnio formavimosi temperatūrą ir naudoti itin gryną alavo jodidą. Nepaisant šių iššūkių, pats įrenginio gamybos procesas išlieka palyginti paprastas.
Ar atėjo perovskitinių elementų revoliucijos metas?
SnF2 istorija yra geras pavyzdys to, kaip jau, atrodytų, subrendusioje srityje vis dar gali slėptis nežinomi kintamieji. Šis priedas ilgus metus veikė kaip numatytasis receptūros elementas, teikdamas realią trumpalaikę naudą, bet tuo pačiu pjaudamas šaką, ant kurios sėdėjo visa technologija.
Naujasis darbas nekeičia fakto, kad alavo ir švino perovskitai vis dar reikalauja kontroliuojamos atmosferos, didelio prekursorių grynumo ir tikslaus proceso valdymo. Tačiau jis parodo, kad nestabilumo problema nėra gamtos nuosprendis, o konkrečių cheminių sprendimų pasekmė. Jei siūlomą metodą pavyks perkelti nuo mažų bandinių prie didesnių, mastelio keitimui tinkamų elementų, šios korekcijos nauda bus dviguba. Viena vertus, gauname medžiagą, kuri nustoja irti dėl savo pačios sudėties, kita vertus – realų kandidatą apatiniam tandeminių elementų sluoksniui, leidžiantį viršyti klasikinio silicio plokščių efektyvumą. Kelyje dar lieka ilgas iššūkių sąrašas: nuo gamybos atkuriamumo ir kapsuliavimo iki masinės gamybos sąnaudų.
.png)
.png)
