Perovskiti, široka klasa jedinjenja sa određenom vrstom kristalne strukture, dugo su viđeni kao obećavajuća alternativa ili dopuna današnjim solarnim panelima od silicijum ili kadmijum telurid. Mogli bi biti daleko lakši i jeftiniji i mogli bi se obložiti na gotovo svaku podlogu, uključujući papir ili fleksibilnu plastiku koja se može umotati radi lakšeg transporta.
Po svojoj efikasnosti u pretvaranju sunčeve svetlosti u električnu energiju, perovskiti postaju uporedivi sa silicijumom, čija proizvodnja i dalje zahteva duge, složene i energetski intenzivne procese. Jedan veliki preostali nedostatak je dugovečnost: imaju tendenciju da se pokvare za nekoliko meseci do godina, dok silicijumski solarni paneli mogu da traju više od dve decenije. A njihova efikasnost na velikim površinama modula i dalje zaostaje za silicijumom.
Sada je tim istraživača na MIT-u i nekoliko drugih institucija otkrio načine za optimizaciju efikasnosti i bolju kontrolu degradacije, projektovanjem strukture nanorazmera perovskitnih uređaja.
Studija otkriva nove uvide o tome kako napraviti visokoefikasne solarne ćelije od perovskita, a takođe pruža nova uputstva za inženjere koji rade na dovođenju ovih solarnih ćelija na komercijalno tržište.
Rad je opisan u časopisu Nature Energy, u radu Danea de Kuilettes, nedavnog postdoktora MIT-a, koji je sada suosnivač i glavni naučni službenik MIT spinout-a Optigon, zajedno sa profesorima MIT-a Vladimirom Bulovićem i Moungijem Bavendijem i još 10 drugih na MIT-u i u državi Vašington, Velikoj Britaniji i Koreji.
„Pre deset godina, da ste nas pitali šta bi bilo krajnje rešenje za brzi razvoj solarnih tehnologija, odgovor bi bio nešto što funkcioniše kao silicijum, ali čija je proizvodnja mnogo jednostavnija“, kaže Bulović.
„I pre nego što smo to shvatili, pojavilo se polje fotonaponskih uređaja iz perovskita. Bili su efikasni kao silicijum, a bilo ih je lako slikati kao što je slikati na komadu papira. Rezultat je bilo ogromno uzbuđenje na terenu.“
Bez obzira na to, „postoje neki značajni tehnički izazovi rukovanja i upravljanja ovim materijalom na načine na koje nikada ranije nismo radili“, kaže on. Ali obećanje je toliko veliko da stotine istraživača širom sveta rade na ovoj tehnologiji.
Nova studija bavi se veoma malim, ali ključnim detaljom: kako „pasivirati“ površinu materijala, menjajući njena svojstva na takav način da se perovskit više ne degradira tako brzo ili gubi efikasnost.
„Ključno je identifikovanje hemije interfejsa, mesta gde se perovskit susreće sa drugim materijalima“, kaže Bulović, misleći na mesta gde su različiti materijali naslagani pored perovskita kako bi se olakšao protok struje kroz uređaj.
Inženjeri su razvili metode za pasivizaciju, na primer korišćenjem rastvora koji stvara tanak pasivirajući premaz. Ali nedostajalo im je detaljno razumevanje kako ovaj proces funkcioniše — što je od suštinskog značaja za dalji napredak u pronalaženju boljih premaza.
Nova studija se „pozabavila sposobnošću da se ti interfejsi pasiviziraju i razjašnjavaju fiziku i nauku zašto ova pasivizacija funkcioniše tako dobro“, kaže Bulović.
Tim je koristio neke od najmoćnijih instrumenata dostupnih u laboratorijama širom sveta kako bi posmatrao interfejse između sloja perovskita i drugih materijala, i kako se oni razvijaju, sa neviđenim detaljima.
Ovo pomno ispitivanje procesa pasiviranja premaza i njegovih efekata rezultiralo je „najjasnijom mapom puta do sada o tome šta možemo da uradimo da fino podesimo energetsko poravnanje na interfejsima perovskita i susednih materijala“, i na taj način poboljšamo njihove ukupne performanse, kaže Bulović. kaže.
Dok je većina materijala perovskita u obliku savršeno uređene kristalne rešetke atoma, ovaj red se raspada na površini. Možda postoje dodatni atomi koji vire ili prazna mesta gde atomi nedostaju, a ovi defekti uzrokuju gubitke u efikasnosti materijala. Tu se javlja potreba za pasivizacijom.
„Ovaj rad u suštini otkriva vodič za podešavanje površina, gde je mnogo ovih defekata, kako bi se osiguralo da se energija ne gubi na površinama“, kaže deKuilettes. „To je zaista veliko otkriće za ovu oblast“, kaže on. „Ovo je prvi rad koji pokazuje kako sistematski kontrolisati i konstruisati površinska polja u perovskitima.“
Uobičajena metoda pasivacije je kupanje površine u rastvoru soli koja se zove heksilamonijum bromid, tehnika koju je na MIT-u pre nekoliko godina razvio Jason Jungvan Ioo Ph.D., koji je koautor ovog rada, što je dovelo do višestrukih nova svetska rekordna efikasnost. Čineći to, „formirate veoma tanak sloj na vrhu svoje defektne površine, a taj tanak sloj zaista dobro pasivira mnoge defekte“, kaže deKuilettes.
„A onda brom, koji je deo soli, zapravo prodire u trodimenzionalni sloj na kontrolisan način. Taj prodor pomaže da se spreči da elektroni izgube energiju na defekte na površini.
Ova dva efekta, proizvedena u jednom koraku obrade, proizvode dve korisne promene istovremeno. „Zaista je prelepo jer to obično treba da uradite u dva koraka“, kaže deKuilets.
Pasivacija smanjuje gubitak energije elektrona na površini nakon što ih je otkačila sunčeva svetlost. Ovi gubici smanjuju ukupnu efikasnost konverzije sunčeve svetlosti u električnu energiju, tako da smanjenje gubitaka povećava neto efikasnost ćelija.
To bi moglo brzo dovesti do poboljšanja efikasnosti materijala u pretvaranju sunčeve svetlosti u električnu energiju, kaže on. Nedavni rekordi efikasnosti za jedan sloj perovskita, od kojih je nekoliko postavljeno na MIT-u, kretali su se od oko 24 do 26 procenata, dok je maksimalna teorijska efikasnost koja bi se mogla postići je oko 30 procenata, prema deKuilettes.
Povećanje od nekoliko procenata možda ne zvuči mnogo, ali u solarnoj fotonaponskoj industriji takva poboljšanja su veoma tražena. „U silicijumskoj fotonaponskoj industriji, ako dobijate pola procenta u efikasnosti, to vredi stotine miliona dolara na globalnom tržištu“, kaže on.
Nedavna promena u dizajnu silicijumskih ćelija, u suštini dodavanjem tankog pasivirajućeg sloja i promenom profila dopinga, obezbeđuje povećanje efikasnosti od oko pola procenta. Kao rezultat toga, „cela industrija se menja i ubrzano pokušava da gura da stigne tamo“. Ukupna efikasnost silicijumskih solarnih ćelija je doživela samo mala postepena poboljšanja u poslednjih 30 godina, kaže on.
Rekordna efikasnost za perovskite uglavnom je postavljena u kontrolisanim laboratorijskim uslovima sa malim uzorcima materijala veličine poštanske marke. „Prevođenje rekordne efikasnosti u komercijalne razmere traje dugo“, kaže deKuilettes. „Još jedna velika nada je da će sa ovim razumevanjem ljudi moći bolje da projektuju velika područja kako bi imali ove pasivne efekte.
Postoje stotine različitih vrsta pasivizirajućih soli i mnogo različitih vrsta perovskita, tako da bi osnovno razumevanje procesa pasivizacije koje pruža ovaj novi rad moglo pomoći istraživačima da pronađu još bolje kombinacije materijala, sugerišu istraživači. „Postoji toliko različitih načina na koje možete konstruisati materijale“, kaže on.
„Mislim da smo na pragu prvih praktičnih demonstracija perovskita u komercijalnoj primeni“, kaže Bulović. „A te prve aplikacije će biti daleko od onoga što ćemo moći da uradimo za nekoliko godina od sada.“
On dodaje da perovskite „ne treba posmatrati kao pomeranje silicijumskih fotonaponskih uređaja. Na to treba gledati kao na povećanje—još jedan od načina da se postigne brže raspoređivanje solarne struje“.
„U poslednje dve godine napravljen je veliki napredak u pronalaženju površinskih tretmana koji poboljšavaju solarne ćelije perovskita“, kaže Majkl Mekgi, profesor hemijskog inženjerstva na Univerzitetu Kolorado koji nije bio povezan sa ovim istraživanjem.
„Mnoga istraživanja su bila empirijska sa mehanizmima koji stoje iza poboljšanja koji nisu u potpunosti shvaćeni. Ova detaljna studija pokazuje da tretmani ne samo da mogu pasivizirati defekte, već mogu stvoriti i površinsko polje koje odbija nosioce koje treba sakupljati na drugoj strani. uređaja. Ovo razumevanje može pomoći u daljem poboljšanju interfejsa.“
