Vědci zvýšili životnost levných solárních článků vyrobených z krystalů o nanorozměrech

Mezinárodní tým vědců vyvinul novou techniku pro zvýšení životnosti invertovaných perovskitových solárních článků, což je důležitý krok ke komercializaci nové fotovoltaické technologie, která by mohla výrazně snížit náklady na solární energii.

Jak uvádí Torontská univerzita na svém webu, na rozdíl od tradičních solárních článků, které jsou vyrobeny z destiček křemíku s extrémně vysokou čistotou, jsou perovskitové solární články vyrobeny z krystalů o nanorozměrech. Pomocí levných a osvědčených technik lze tyto perovskitové krystaly rozptýlit v kapalině a nanést na povrch.

Je také možné vyladit vlnové délky světla absorbovaného perovskity úpravou tloušťky a chemického složení krystalových vrstev. Perovskitové vrstvy naladěné na různé vlnové délky lze dokonce skládat na sebe nebo na tradiční křemíkové články, což vede k vytvoření „tandemových“ článků, které absorbují větší část slunečního spektra než dnešní zařízení. Na nejnovější práci, publikované v časopise Science, se podíleli vědci z Torontské univerzity, Severozápadní univerzity, Toledské univerzity a Washingtonské univerzity.

„Perovskitové solární články mají potenciál překonat přirozená omezení účinnosti křemíkových solárních článků,“ říká spoluautor studie Ted Sargent, který nedávno nastoupil na katedru chemie a katedru elektrotechniky a počítačového inženýrství na Northwestern University, ale zůstává spojen s U of T Engineering, kde má výzkumnou laboratoř.

„Jsou také vhodné pro výrobní metody, které mají mnohem nižší náklady než ty, které se používají pro křemík. Jedním z míst, kde perovskity stále zaostávají za křemíkem, je jejich dlouhodobá životnost. V této studii jsme použili přístup racionálního návrhu, abychom se s tím vypořádali novým a jedinečným způsobem.“

V posledních letech Sargent a jeho spolupracovníci dosáhli několika pokroků, které zlepšují výkon perovskitových solárních článků. Zatímco se však většina těchto předchozích prací zaměřila na zvýšení účinnosti, jejich nejnovější práce se zabývá výzvou týkající se životnosti.

„Jedním z klíčových zranitelných míst u těchto typů solárních článků je rozhraní mezi perovskitovou vrstvou a sousedními vrstvami, které nazýváme vrstvy pro transport nosičů,“ říká Chongwen Li, postdoktorand, který nedávno přešel na U of T Engineering z University of Toledo a je jedním z hlavních spoluautorů článku.

„Tyto sousední vrstvy odvádějí elektrony nebo díry, které budou proudit obvodem. Pokud se chemická vazba mezi těmito vrstvami a perovskitovou vrstvou poškodí působením světla nebo tepla, elektrony nebo díry se do obvodu nedostanou – to snižuje celkovou účinnost článku,“ říká Li.

Aby tento problém vyřešil, vrátil se mezinárodní výzkumný tým k prvním principům. Použili počítačové simulace založené na teorii funkcí hustoty (DFT), aby předpověděli, jaký druh molekul by byl nejlepší pro vytvoření mostu mezi perovskitovou vrstvou a vrstvami pro přenos náboje.

„Předchozí výzkum ukázal, že molekuly známé jako Lewisovy báze jsou vhodné pro vytvoření silné vazby mezi těmito vrstvami,“ říká Bin Chen, postdoktorand v Sargentově laboratoři, který je nyní odborným asistentem na Northwestern University a spoluautorem článku. „Je to proto, že jeden konec molekuly se váže na atomy olova v perovskitové vrstvě a druhý na nikl v transportních vrstvách nosičů. Naše simulace předpověděly, že Lewisovy báze, které obsahují prvek fosfor, budou mít nejlepší účinek.“

V laboratoři tým vyzkoušel různé formulace molekul obsahujících fosfor. Jejich experimenty ukázaly, že nejlepší výkon má materiál známý jako 1,3 bis(difenylfosfino)propan neboli DPPP. Tým sestrojil invertované perovskitové solární články, které obsahovaly DPPP, a také některé bez DPPP. Oba typy podrobili testům, které simulovaly podmínky, v nichž by se solární články nacházely v terénu, a osvětlovali je světlem o podobné intenzitě, jakou má slunce. Zkoušeli je také vystavit vysokým teplotám, a to jak na světle, tak ve tmě.

„V případě DPPP zůstala za okolních podmínek (tj. bez dodatečného ohřevu) celková účinnost přeměny energie článku vysoká po dobu přibližně 3 500 hodin,“ říká Li. „U perovskitových solárních článků, které byly dříve publikovány v literatuře, dochází obvykle k výraznému poklesu účinnosti po 1 500 až 2 000 hodinách, takže toto je velké zlepšení.“

Li říká, že tým požádal o patent na techniku DPPP a již se setkal se zájmem komerčních výrobců solárních článků. „Myslím, že se nám podařilo ukázat novou cestu vpřed – že simulace DFT a racionální návrh mohou ukázat cestu ke slibným řešením,“ říká. „Ale možná existují ještě lepší molekuly. Nakonec se chceme dostat tam, kde budou perovskitové solární články moci komerčně konkurovat křemíku, což je dnes nejmodernější fotovoltaická technologie. To je důležitý krok, ale je třeba jít ještě dál.“

Zdroj: utoronto.ca, redakce