Apa Yang Beruntung Yang Sel Double Cell Perovskite Dapat Menentang Silikon

Reka bentuk baru untuk sel solar yang menggunakan bahan-bahan murah dan biasa boleh menyaingi dan bahkan mengatasi sel konvensional yang diperbuat daripada silikon.

Para saintis telah menggunakan timah dan unsur-unsur lain yang banyak untuk menghasilkan bentuk novel perovskite-bahan kristal photovoltaic yang lebih nipis, lebih fleksibel, dan lebih mudah untuk menghasilkan daripada kristal silikon. Mereka melaporkan penyelidikan mereka dalam jurnal Sains/Ilmu.

"Semikonduktor Perovskite telah menunjukkan janji yang besar untuk membuat sel solar berkecekapan tinggi pada kos yang rendah," kata penulis mata pelajaran Michael McGehee, profesor sains bahan dan kejuruteraan di Stanford University. "Kami telah merancang peranti yang kuat, semua-perovskite yang menukarkan sinar matahari ke dalam tenaga elektrik dengan kecekapan peratus 20.3, kadar yang setanding dengan sel solar silikon di pasaran hari ini."

Tumpukan perovskite berganda

Peranti baru terdiri daripada dua sel suria perovskite yang disusun bersama. Setiap sel dicetak pada kaca, tetapi teknologi yang sama boleh digunakan untuk mencetak sel-sel pada plastik.

"Sel-sel tandem semua-perovskite yang kami telah menunjukkan jelas menggariskan pelan untuk sel-sel solar filem tipis untuk menyampaikan lebih banyak kecekapan peratus 30," kata pengacara Henry Snaith, profesor fizik di Oxford University. "Ini hanya permulaan."

grafik langganan dalaman

Kajian terdahulu menunjukkan bahawa menambahkan lapisan perovskite dapat meningkatkan kecekapan sel solar silikon. Tetapi satu peranti tandem yang terdiri daripada dua sel-sel perovskite akan lebih murah dan kurang intensif untuk membina, kata para saintis.

"Sebuah panel solar silikon bermula dengan menukar batu silika menjadi kristal silikon melalui proses yang melibatkan suhu di atas 3,000 degrees Fahrenheit (1,600 degrees Celsius)," kata pengarang penyelidik Tomas Leijtens, seorang sarjana pasca doktoral di Stanford. "Sel perovskite boleh diproses di makmal dari bahan biasa seperti timah, timah, dan bromin, kemudian dicetak pada kaca pada suhu bilik."

Cabaran yang sukar

Tetapi membina peranti tandem semua-perovskite telah menjadi cabaran yang sukar. Masalah utama ialah mewujudkan bahan perovskite yang stabil yang mampu menangkap tenaga yang cukup dari matahari untuk menghasilkan voltan yang baik.

Suatu sel perovskite yang tipikal memakan foton daripada bahagian spektrum solar yang kelihatan. Foton lebih tinggi tenaga boleh menyebabkan elektron dalam kristal perovskite untuk melompat "jurang tenaga" dan mencipta arus elektrik.

Sel solar dengan jurang tenaga yang kecil boleh menyerap kebanyakan foton tetapi menghasilkan voltan yang sangat rendah. Sel dengan jurang tenaga yang lebih besar menjana voltan yang lebih tinggi, tetapi foton tenaga rendah melaluinya.

Satu peranti tandem yang cekap akan terdiri daripada dua sel yang dipadankan dengan ideal, kata pengarang bersama pemimpin Giles Eperon, seorang sarjana pasca doktoral Oxford saat ini di University of Washington.

"Sel dengan jurang tenaga yang lebih besar akan menyerap foton bertenaga tinggi dan menghasilkan voltan tambahan," kata Eperon. "Sel dengan jurang tenaga yang lebih kecil boleh menuai foton yang tidak dikumpulkan oleh sel pertama dan masih menghasilkan voltan."

Masalah kestabilan

Jurang yang lebih kecil telah terbukti menjadi cabaran yang lebih besar bagi saintis. Bekerja sama, Eperon dan Leijtens menggunakan kombinasi unik timah, timah, cesium, yodium, dan bahan organik untuk menghasilkan sel yang efisien dengan jurang tenaga yang kecil.

"Kami membangunkan perovskite novel yang menyerap cahaya inframerah tenaga rendah dan menyampaikan kecekapan penukaran peratus 14.8," kata Eperon. "Kami kemudian menggabungkannya dengan sel perovskite yang terdiri daripada bahan yang sama tetapi dengan jurang tenaga yang lebih besar."

Hasilnya: Satu peranti tandem yang terdiri daripada dua sel perovskite dengan kecekapan gabungan peratus 20.3.

"Terdapat beribu-ribu kemungkinan sebatian untuk perovskit," kata Leijtens, "tapi ini berfungsi dengan baik, agak lebih baik daripada apa pun sebelum itu."

Trik 'Glue' membesar sel solar perovskite yang lebih besar

Satu kebimbangan dengan perovskites adalah kestabilan. Panel solar bumbung yang diperbuat daripada silikon biasanya berumur 25 atau lebih. Tetapi sesetengah perovskit merosot dengan cepat apabila terdedah kepada kelembapan atau cahaya. Dalam eksperimen terdahulu, perovskit yang dibuat dengan bijih timah didapati tidak stabil.

Untuk menilai kestabilan, pasukan penyelidik menimbulkan kedua-dua sel eksperimen dengan suhu 212 degrees Fahrenheit (100 degrees Celsius) selama empat hari.

"Secara kritis, kami mendapati bahawa sel-sel kami mempamerkan kestabilan terma dan atmosfera yang sangat baik, belum pernah berlaku untuk perovskit berasaskan timah," tulis penulis.

"Kecekapan peranti tandem kami sudah jauh lebih besar daripada sel surya yang terbaik yang dibuat dengan semikonduktor murah lain, seperti molekul kecil organik dan silikon mikrokristalin," kata McGehee. "Mereka yang berpotensi menyedari bahawa keputusan ini luar biasa."

Langkah seterusnya adalah untuk mengoptimumkan komposisi bahan untuk menyerap lebih banyak cahaya dan menghasilkan arus yang lebih tinggi, kata Snaith.

"Kepelbagaian perovskit, kos bahan dan pembuatan yang rendah, kini ditambah dengan potensi untuk mencapai kecekapan yang tinggi, akan menjadi transformatif kepada industri photovoltaic sekali gus menghasilkan kestabilan dan kestabilan yang dapat diterima juga terbukti," katanya.

Penyelidik lain dari Stanford, Oxford, Hasselt University di Belgium, dan SunPreme Inc. adalah pengarang kajian ini.

Pembiayaan berasal dari Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, Majlis Penyelidikan Kejuruteraan dan Sains Fizikal Inggeris, Program Kerangka Ketujuh Kesatuan Eropah, Horizon 2020, Pejabat Penyelidikan Tentera Laut AS, dan Projek Iklim dan Tenaga Global di Stanford.

sumber: Universiti Stanford

Buku berkaitan:

at InnerSelf Market dan Amazon