מקור:news.northwestern.edu
הממצאים, שפורסמו היום (17 בנובמבר) בכתב העת Science, מתארים פתרון דו-מולקולתי להתגברות על הפסדי יעילות כאשר אור השמש מומר לאנרגיה. על ידי שילוב תחילה, מולקולה לטיפול במשהו שנקרא רקומבינציה פני השטח, שבה אלקטרונים הולכים לאיבוד כאשר הם נלכדים על ידי פגמים - אטומים חסרים על פני השטח, ומולקולה שנייה כדי לשבש את הרקומבינציה בממשק בין השכבות, הצוות השיג מדד מתחדש לאומי יעילות מאושרת של מעבדת אנרגיה (NREL) של 25.1% כאשר גישות קודמות הגיעו ליעילות של 24.09% בלבד.
"הטכנולוגיה הסולארית של Perovskite נעה במהירות, והדגש של מחקר ופיתוח עובר מהבולם בתפזורת לממשקים", אמר פרופסור נורת'ווסטרן טד סרג'נט. "זו הנקודה הקריטית לשיפור היעילות והיציבות ולקרב אותנו למסלול המבטיח הזה לקציר סולארי יעיל מתמיד".
סרג'נט הוא המנהל המשותף של מכון פאולה מ. טרייננס לקיימות ואנרגיה (לשעבר ISEN) וחוקר רב תחומי בכימיה של חומרים ומערכות אנרגיה, עם מינויים במחלקה לכימיה במכללת וינברג לאמנויות ומדעים המחלקה להנדסת חשמל ומחשבים בבית הספר להנדסה מקורמיק.
תאים סולאריים קונבנציונליים עשויים פרוסות סיליקון בטוהר גבוה, שצורכים אנרגיה לייצור ויכולים לספוג רק טווח קבוע של ספקטרום השמש.
חומרי פרוסקיט שגודלם והרכבם ניתנים להתאמה כדי "לכוון" את אורכי הגל של האור שהם סופגים, מה שהופך אותם לטכנולוגיית טנדם מתפתחת נוחה ובעלות פוטנציאלית נמוכה יותר.
מבחינה היסטורית תאים סולאריים פרוסקיטיים נפגעו באתגרים לשיפור היעילות בגלל חוסר היציבות היחסית שלהם. במהלך השנים האחרונות, התקדמות מהמעבדה של Sargent ואחרות הביאו את היעילות של תאים סולאריים פרוסקיט לאותו טווח כמו מה שניתן להשיג עם סיליקון.
במחקר הנוכחי, במקום לנסות לעזור לתא לספוג יותר אור שמש, הצוות התמקד בנושא של שמירה ושימור אלקטרונים שנוצרו כדי להגביר את היעילות. כאשר שכבת הפרובסקיט מתקשרת עם שכבת הובלת האלקטרונים של התא, אלקטרונים נעים מאחד לשני. אבל האלקטרון יכול לנוע חזרה החוצה ולמלא, או "לשלב מחדש" עם חורים שקיימים בשכבת הפרובסקיט.
"ריקומבינציה בממשק היא מורכבת", אמר הסופר הראשון צ'נג ליו, פוסט-דוקטורנט במעבדת Sargent, אשר בפיקוח משותפת של צ'ארלס אי ואמה ה. מוריסון פרופסור לכימיה מרקורי קנאצידיס. "קשה מאוד להשתמש בסוג אחד של מולקולה כדי לטפל ברקומבינציה מורכבת ולשמור אלקטרונים, אז שקלנו באיזה שילוב של מולקולות נוכל להשתמש כדי לפתור את הבעיה בצורה מקיפה יותר".
מחקר עבר של הצוות של Sargent מצא ראיות לכך שמולקולה אחת, PDAI2, עושה עבודה טובה בפתרון רקומבינציה של ממשק. בשלב הבא הם היו צריכים למצוא מולקולה שתעבוד כדי לתקן פגמים על פני השטח ולמנוע שילוב מחדש של אלקטרונים איתם.
על ידי מציאת המנגנון שיאפשר ל-PDAI2 לעבוד עם מולקולה משנית, הצוות הצטמצם בגופרית, שיכולה להחליף קבוצות פחמן - בדרך כלל גרועות במניעת תנועת אלקטרונים - כדי לכסות אטומים חסרים ולדכא את הרקומבינציה.
"בטיפול באי-יעילות הליבה המצוי בתאי שמש פרוסקיט הפוכים, הנובעים בעיקר מהפסדי רקומבינציה לא-קרינה, נקבע סטנדרט חדש ביעילות תאים סולאריים", אמר פרופסור מצפון-מערב מרקורי קנאצידיס. "זוהי המחשה מצוינת לאופן שבו תחום כימיית החומרים המתקדמים יכול לשפר משמעותית את יעילות המרת האנרגיה ואת אורך החיים של טכנולוגיות פוטו-וולטאיות מתעוררות של פרוסקיט."
קנאצידיס היא סמכות מובילה בתחום כימיית החומרים ופתרונות אנרגיה בת קיימא, עם מינויים כפולים במחלקה לכימיה של וינברג ובמחלקה למדעי החומרים והנדסת החומרים של מקורמיק.
"אנו נרגשים מכך שהאסטרטגיה הבימולקולרית שלנו מראה ישימות למגוון של קומפוזיציות פרובסקיט, כולל אלו שמבטיחות עבור תאים סולאריים טנדם", אמר בן צ'ן, פרופסור מחקר לכימיה ומחבר שותף במאמר.
מאמר אחרון של אותה קבוצה שפורסם ב-Nature פיתח ציפוי למצע מתחת לשכבת הפרובסקיט כדי לעזור לתא לעבוד בטמפרטורה גבוהה יותר לתקופה ארוכה יותר. פתרון זה, לדברי ליו, יכול לעבוד במקביל לממצאים במאמר המדע.
בעוד שהצוות מקווה שהממצאים שלהם יעודדו את הקהילה המדעית הגדולה להמשיך ולקדם את העבודה, גם הם יעבדו על מעקבים.
"עלינו להשתמש באסטרטגיה גמישה יותר כדי לפתור את בעיית הממשק המורכב", אמר צ'נג. "אנחנו לא יכולים להשתמש רק בסוג אחד של מולקולה, כמו שאנשים עשו בעבר. אנחנו משתמשים בשתי מולקולות כדי לפתור שני סוגים של רקומבינציה, אבל אנחנו בטוחים שיש עוד סוגים של רקומבינציה הקשורה לפגם בממשק. אנחנו צריכים לנסות להשתמש יותר מולקולות יתחברו יחד ויוודאו שכל המולקולות פועלות יחד מבלי להרוס את הפונקציות אחת של השנייה."
