Нещо съвсем ново и полезно: революционни слънчеви елементи могат 4 пъти да намалят цената на фотоволтаичните панели

Изследователи разработиха молекулярни добавки за удължаване на живота на перовскитните слънчеви клетки. Както и за четирикратно намаляване на тяхната цена в сравнение със съвременните тънкослойни слънчеви клетки. Тези добавки, известни като „пасиватори на дефектите“, значително забавят разграждането на перовскитните полупроводникови филми. Това може да спомогне за подобряване на дълготрайността на фотоволтаичните панели, като същевременно се повиши тяхната конкурентоспособност на пазара на енергийните технологии.

Тъй като светът се стреми към въглеродна неутралност, търсенето на екологични енергийни технологии непрекъснато нараства. Сред най-широко използваните са фотоволтаичните панели, които се очаква до 2050 г. да започнат да произвеждат 4 500 гигаватчаса енергия в световен мащаб.

„Повечето фотоволтаични панели, които понастоящем се предлагат на пазара, се състоят от кристални силициеви слънчеви клетки. Силициевите слънчеви клетки са много добри, защото са много ефективни и могат да работят много дълго време. Само че производството им е много скъпо“, казва Сивен Гонг от Мичиганския университет.

В края на краищата за производството на силиций с висока чистота са необходими температури над 1000°C. В противен случай ефективността им е ниска, допълва той. Това води до значителни финансови и екологични разходи.

За да се преодолеят тези проблеми, в момента се проучват алтернативни фотоволтаични материали. Това са например металохалогенни перовскити (подгрупа от органични и неорганични хибридни перовскити, съдържащи халогенни йони, като йодид или бромид). Те предлагат много по-добро съотношение цена/качество. По-конкретно, тези материали имат отлични оптични и електрически свойства. Едовременно с това те са наполовина по-евтини от производството на кристалните силициеви полупроводници. Освен това те могат да се комбинират с полупроводници на силициева основа, за да се надхвърли максималната теоретична ефективност на силициевите слънчеви клетки.

Само че продължителността на технологичния живот на съществуващите перовскитни материали е твърде ограничен. По този начин те не могат да бъдат конкурентоспособни в търговската мрежа. Освен това тези материали са особено податливи на деградация под въздействието на условията на околната среда, на които обикновено са изложени слънчевите клетки. Това са топлината, влажността, обратната поляризация и други.

В новото си проучване, публикувано в списание Matter, Гонг и колегите му са направили опит да разработят по-стабилни металохалогенни перовскитни слънчеви клетки. Техните открития показват, че добавянето на „елиминиращи дефектите“ молекули към перовскитите подобрява тяхната стабилност. Едновременно с това и тяхната продължителност на живота. С други думи, изследването предоставя ключова информация за предотвратяване деградацията на перовскитните полупроводници. Изследователите също така смятат, че това може да доведе до създаването на нови соларни панели, които са от два до четири пъти по-евтини от сегашните тънкослойни соларни панели.

Перовскитните материали са по-устойчиви на деградация

Дефектите в кристалите на перовскита се дължат на наличието на оловни атоми, които не са напълно свързани с другите елементи, от които са съставени. Тези недостатъчно координирани места водят до прекъсвания в кристалната решетка, което възпрепятства движението на електроните в нея. И ускорява разграждането на материала.

Предишни изследвания показаха, че е възможно да се намалят тези дефекти чрез въвеждане на „пасивиращи“ молекули. Те блокират подчинените връзки. Пасивирането е състояние на метал или сплав, при което скоростта на корозия значително се забавя. По този начин пасивиращите добавки предотвратяват образуването на други дефекти (а оттам и деградацията), когато са изложени на дразнители като висока температура.

Въпреки това не е достатъчно ясно по какъв начин тези молекули могат да допринесат за стабилността на перовскитните полупроводници.

„Искахме да определим точно кои характеристики на молекулите повишават стабилността на перовскитите“, обяснява водещият автор на новото изследване Хонки Ким от Мичиганския университет.

За целта екипът разработва три молекулярни добавки, съдържащи едни и същи химични елементи, но различаващи се по форма, размер, тегло и конфигурация. След това те са добавени към тънки филми от метал-халогенни перовскити, за да се измери силата на сцепление на филмите. Този параметър определя скоростта на образуване на дефекти в материала.

Установено е, че по-масивните молекули се придържат по-добре към материала, тъй като имат повече места за свързване, които могат да взаимодействат с кристалите на перовскита. Това означава, че те са в състояние да отслабят дефектите и да предотвратят деградацията. Освен това по-големите молекули водят до образуването на по-големи перовскитови зърна. По този начин се увеличава здравината на материала.

При нагряване на перовскитните филми с добавки до 200 °C изследователите успяха да потвърдят, че по-големите молекули допринасят за по-доброто запазване на шистовочерния цвят. Това показва много по-малкото структурни дефекти в соларните клетки.

„Размерът и конфигурацията са важни в адитивния дизайн и ние вярваме, че тази философия на дизайна може да бъде приложена в различни перовскитни композиции. По този начин значително се подобрява животът на перовскитните слънчеви клетки, електролуминесцентните устройства и фотодетекторите“, казва съавторът на изследването Карлос Алехандро Фигероа Моралес, също от Мичиганския университет.

Освен това резултатите от изследването ще осигурят рамка за систематично определяне на най-добрите добавки за перовскитни слънчеви клетки, което ще спести значително време за по-нататъшни проучвания.