7 мин. чтения
2/29/2024 9:02:40 AM

Наноразмерные секреты для проектирования солнечных элементов следующего поколения

Article Preview Image Улучшение в сфере жизни носителя при лечении HABR.Кредит: Nature Energy (2024).Doi: 10.1038/s41560-024-01470-5

Перовскиты, широкий класс соединений с определенным видом кристаллической структуры, долгое время рассматривались как многообещающая альтернатива или дополнение к сегодняшним солнечным панелях кремния или кадмиевым теллуридам.Они могут быть гораздо более легкими и недорогими, и могут быть покрыты практически на любой субстрат, включая бумагу или гибкий пластик, который можно свернуть для легкого транспорта.

В своей эффективности конвертации солнечного света в электричество, перовскиты становятся сопоставимыми с кремнием, чье производство по-прежнему требует долгих, сложных и энергоемких процессов.Одним из больших оставшихся недостатков является долговечность: они, как правило, разрушаются в течение нескольких месяцев до многих лет, в то время как кремниевые солнечные батареи могут длиться более двух десятилетий.И их эффективность над большими областями модуля все еще отстает от кремния.

Теперь команда исследователей из MIT и нескольких других учреждений выявила способы оптимизации эффективности и лучшей деградации контроля, разработав наноразмерную структуру устройств перовскита.

Исследование выявляет новое понимание того, как сделать высокоэффективные солнечные элементы перовскита, а также предоставляет новые направления для инженеров, работающих над тем, чтобы доставить эти солнечные элементы на коммерческий рынок.

Работа описана в журнале Nature Energy, в статье Dane Dequilettes, недавнего постдока MIT, который в настоящее время является соучредителем и директором по науке Spinout Optigon, наряду с профессорами MIT Владимиром Буливич и Мунги Бавенди и 10 других.в Массачусетском технологическом институте и в штате Вашингтон, в Великобритании и Корее.

«Десять лет назад, если бы вы спросили нас, каким будет окончательное решение для быстрой разработки солнечных технологий, ответ был бы чем -то, что работает так же хорошо, как к кремнию, но чье производство намного проще», - говорит Бович.

«И прежде чем мы узнали об этом, поля перовскитской фотоэлектрики появилось. Они были так же эффективны, как кремниевые, и их было так же легко рисовать, как и нарисовать на листе бумаги. Результатом стало огромное волнение в поле».

Тем не менее, «существуют некоторые важные технические проблемы, связанные с обработкой и управлением этим материалом таким образом, как мы никогда раньше не делали», - говорит он.Но обещание настолько велика, что многие сотни исследователей по всему миру работали над этой технологией.

В новом исследовании рассматривается очень маленькая, но ключевая деталь: как «пассивировать» поверхность материала, изменяя его свойства таким образом, что перовскит больше не ухудшается так быстро или теряет эффективность.

«Ключ - идентифицировать химию интерфейсов, места, где перовский знает другие материалы», - говорит Булович, ссылаясь на места, где различные материалы сложены рядом с перовскитом, чтобы облегчить поток тока через устройство.

Инженеры разработали методы пассивации, например, с использованием решения, которое создает тонкое пассивирующее покрытие.Но им не хватало подробного понимания того, как работает этот процесс, что важно для дальнейшего прогресса в поиске лучших покрытий.

Новое исследование «рассматривало способность пассивировать эти интерфейсы и выяснить физику и науку за то, почему эта пассивация работает так же хорошо, как и она», - говорит Булович.

Команда использовала некоторые из самых мощных инструментов, доступных в лабораториях по всему миру для наблюдения за интерфейсами между слоем перовскита и другими материалами, и о том, как они развиваются в беспрецедентных деталях.

Это тщательное изучение процесса покрытия пассивального покрытия и его последствия привело к «самой четкой дорожной карте на срок того, что мы можем сделать, чтобы точно настроить выравнивание энергии на разделах перовскитов и соседних материалов» и, таким образом, улучшить их общую производительность, буловичговорит

В то время как основная часть материала перовскита находится в форме идеально упорядоченной кристаллической решетки атомов, этот порядок ломается на поверхности.Там могут быть дополнительные атомы, торчащие или вакансии, где отсутствуют атомы, и эти дефекты вызывают потери в эффективности материала.Вот где возникает потребность в пассивации.

«Эта статья, по сути, раскрывает путеводитель по поводу того, как настроить поверхности, где многие из этих дефектов, чтобы убедиться, что энергия не теряется на поверхностях», - говорит Декилетт.«Это действительно большое открытие для поля», - говорит он.«Это первая статья, которая демонстрирует, как систематически контролировать и разработать поверхностные поля в перовскитах».

Общий метод пассивации состоит в том, чтобы купаться на поверхности в растворе соли, называемого бромидом гексиламмония, техники, разработанной в Массачусетском технологическом институте, который несколько лет назад Джейсон Юнгван Ю.Новая рекордная эффективность.Делая это: «Вы формируете очень тонкий слой поверх своей дефектной поверхности, и этот тонкий слой на самом деле очень хорошо пассивирует много дефектов», - говорит Декилетт.

«А затем бром, который является частью соли, фактически проникает в трехмерный слой контролируемым способом».Это проникновение помогает предотвратить потерять энергию для дефектов на поверхности.

Эти два эффекта, произведенные одним шагом обработки, дают одновременно два полезных изменения.«Это действительно красиво, потому что обычно вам нужно сделать это через два шага», - говорит Dequilettes.

Пассивация уменьшает потерю энергии электронов на поверхности после того, как они были сбиты с толку солнечным светом.Эти потери снижают общую эффективность преобразования солнечного света в электроэнергию, поэтому снижение потерь повышает чистую эффективность ячеек.

Это может быстро привести к повышению эффективности материалов в превращении солнечного света в электричество, говорит он.Недавние записи о эффективности для одного слоя перовскита, некоторые из которых установлены в MIT, составляли около 24 до 26 процентов, в то время как максимальная теоретическая эффективность, которая может быть достигнута, составляет около 30 процентов, согласно данным декилетов.

Увеличение на несколько процентов может звучать не так много, но в солнечной фотоэлектрической промышленности такие улучшения сильно востребованы.«В кремниевой фотоэлектрической промышленности, если вы получаете половину процента в области эффективности, это стоит сотни миллионов долларов на мировом рынке», - говорит он.

Недавний сдвиг в конструкции кремниевых клеток, по существу, добавляя тонкий пассивирующий слой и изменяя профиль легирования, обеспечивает повышение эффективности примерно половину процента.В результате «вся отрасль меняется и быстро пытается настаивать на том, чтобы добраться туда».По его словам, общая эффективность кремниевых солнечных элементов наблюдалась лишь очень небольшие постепенные улучшения за последние 30 лет.

Рекордная эффективность для перовскитов была в основном установлена в контролируемых лабораторных условиях с небольшими образцами размера размером с почтовых партий материала.«Перевод рекордной эффективности в коммерческий масштаб занимает много времени», - говорит Декилетт.«Еще одна большая надежда состоит в том, что с этим пониманием люди смогут лучше разработать большие области, чтобы иметь эти пассивирующие эффекты».

Исследователи предполагают, что существуют сотни различных видов пассивирующих солей и много различных видов перовскитов, поэтому базовое понимание процесса пассивации, предоставленного этой новой работой, может помочь исследователям найти еще лучшие комбинации материалов.«Есть так много разных способов разработать материалы», - говорит он.

«Я думаю, что мы находимся на пороге первых практических демонстраций перовскитов в коммерческих приложениях», - говорит Буливич.«И эти первые приложения будут далеко от того, что мы сможем сделать через несколько лет».

Он добавляет, что перовскиты «не следует рассматривать как смещение кремниевой фотоэлектрической фотоэлектрической.

«За последние два года был достигнут большой прогресс в поиске поверхностных процедур, которые улучшают солнечные элементы Перовскита», - говорит Майкл МакГи, профессор химического машиностроения в Университете Колорадо, который не был связан с этим исследованием.

“Многое исследование было эмпирическим с механизмом, основанными на улучшениях, которые не были полностью поняты. Это подробное исследование показывает, что лечение может не только пассивировать дефекты, но также может создать поверхностное поле, которое отталкивает носители, которые следует собирать с другой стороныустройства. Это понимание может помочь еще больше улучшить интерфейсы ».

Больше информации: Dane W. Dequilettes et al., Снижение рекомбинации через перестраиваемые поверхностные поля в тонких пленках перовскита, природа энергия (2024).Doi: 10.1038/s41560-024-01470-5

Эта история переиздана любезно предоставлена MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.

Получи бесплатную еженедельную рассылку со ссылками на репозитории и лонгриды самых интересных историй о стартапах 🚀, AI технологиях 👩‍💻 и программировании 💻!
Присоединяйся к тысячам читателей для получения одного еженедельного письма

Подписывайся на нас:

Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.

Добавляй ЛРНЧ в свою ленту Google Новостей.
Читайте далее 📖

Новая технология хранения углерода

7/10/2024 · 7 мин. чтения

Новая технология хранения углерода

Искусственный газон со встроенной системой хранения воды может сделать спортивные корты безопаснее

7/10/2024 · 7 мин. чтения

Искусственный газон со встроенной системой хранения воды может сделать спортивные корты безопаснее