מקור: oist.jp
חוקרים ממכון אוקינאווה למדע וטכנולוגיה בוגר אוניברסיטת בוגר (OIST) יצרו מודולי שמש מהדור הבא עם יעילות גבוהה ויציבות טובה. מודולים סולאריים אלה מיוצרים באמצעות סוג של חומר הנקרא perovskites, ויכולים לשמור על ביצועים גבוהים יותר מ- 2000 שעות. הממצאים שלהם, שפורסמו ב- 20 ביולי 2020 בכתב העת המוביל, Nature Energy, הבהירו את סיכויי המסחור.
לפרובסקיטים יש פוטנציאל לחולל מהפכה בתעשיית הטכנולוגיה הסולארית. הם מבטיחים גמישות וקלת משקל רבה יותר מאשר התאים הכבדים והנוקשים מבוססי סיליקון השולטים כיום בשוק. אבל על מדענים להתגבר על כמה מכשולים גדולים לפני שניתן יהיה למסחור את הפרובסקייטים.
"ישנם שלושה תנאים שפרובסקייטים חייבים לעמוד בהם: הם חייבים להיות זולים לייצור, יעילים ביותר ובעלי תוחלת חיים ארוכה", אמר פרופסור יבינג צ'י, ראש ה- OISTהיחידה לחומרי אנרגיה ומדעי שטח, שהוביל את המחקר הזה.
הדגמה של תא סולרי פרובסקיט
עלות ייצור תאים סולאריים perovskite היא נמוכה, מכיוון שחומרי הגלם הזולים דורשים מעט אנרגיה לעיבוד. ותוך קצת יותר מעשור, מדענים עשו צעדים אדירים בשיפור האפקטיביות של תאים סולאריים perovskite להמיר אור שמש לחשמל, עם רמות יעילות הדומות כעת לאלה של תאים מבוססי סיליקון.
עם זאת, לאחר שהורמה מתאי שמש זעירים למודולים סולאריים גדולים יותר, צונחות רמות היעילות של הפרובסקיטים. זה בעייתי מאחר וטכנולוגיית השמש המסחרית צריכה להישאר יעילה בגודל הפאנלים הסולאריים, שאורכם כמה מטרים.
"שינוי גודל הוא מאוד תובעני; כל פגמים בחומר נעשים בולטים יותר, כך שאתה זקוק לחומרים איכותיים וטכניקות ייצור טובות יותר, "הסביר ד"ר לואיס אונו, מחבר משותף למחקר זה.
(משמאל) היחידה לחומרי אנרגיה ומדעי השטח של OIST עובדת עם תאים סולאריים ומודולים בגודל משתנה. (מימין) במחקר זה, המדענים עבדו עם מודולים סולאריים בגודל 5 ס"מ על 5 ס"מ.
חוסר היציבות של פרובייטים הוא נושא מרכזי נוסף שנמצא תחת חקירה אינטנסיבית. תאים סולאריים מסחריים צריכים להיות מסוגלים לעמוד לאורך שנות פעילות אך כיום תאי שמש perovskite משפילים במהירות.
בונים את השכבות
הצוות של פרופסור צ'י, הנתמך על ידי תוכנית ההוכחה לקונספט של מרכז פיתוח טכנולוגי וחדשנות, התייחס לנושאי יציבות ויעילות אלה באמצעות גישה חדשה. התקני שמש פרובסקיטיים מורכבים מכמה שכבות - לכל אחת פונקציה ספציפית. במקום להתמקד רק בשכבה אחת, הם בדקו את הביצועים הכוללים של המכשיר ואיך השכבות מתקשרות זו עם זו.
שכבת הפרובסקייט הפעילה, הסופגת אור שמש, שוכנת במרכז המכשיר, דחוקה בין השכבות האחרות. כאשר פוטונים של אור פוגעים בשכבת הפרובסקייט, אלקטרונים טעונים באופן שלילי רותמים אנרגיה זו ו"קופצים "לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ומשאירים אחריהם" חורים "טעונים חיובי במקום בו האלקטרונים היו בעבר. מטענים אלה מועברים אז בכיוונים מנוגדים לשכבות הובלת אלקטרונים וחורים מעל ומתחת לשכבה הפעילה. זה יוצר זרימת מטען - או חשמל - שיכולה לעזוב את המכשיר הסולארי באמצעות אלקטרודות. המכשיר מכוסה גם בשכבת מגן שמפחיתה את השפלה ומונעת דליפת כימיקלים רעילים לסביבה.
תאים סולאריים ומודולים פרובסקיטיים מורכבים משכבות רבות שלכל אחת מהן יש פונקציה ספציפית. המדענים הוסיפו או שינו את השכבות המודגשות בכתום.
במחקר עבדו המדענים עם מודולים סולאריים בגודל 22.4 ס"מ.
המדענים שיפרו תחילה את הממשק בין השכבה הפעילה perovskite לשכבת הובלת האלקטרונים, על ידי הוספת חומר כימי הנקרא EDTAK בין שתי השכבות. הם מצאו כי EDTAK מנע משכבת הובלת האלקטרונים של תחמוצת הפח להגיב עם השכבה הפעילה perovskite, מה שהגביר את היציבות של מודול השמש.
EDTAK שיפר גם את היעילות של מודול השמש perovskite בשתי דרכים שונות. ראשית, אשלגן ב- EDTAK עבר לשכבה הפרובסקיטית הפעילה ו"ריפא "פגמים זעירים במשטח הפרובסקיט. זה מנע מליקויים אלה ללכוד את האלקטרונים והחורים הנעים, מה שמאפשר לייצר עוד חשמל. EDTAK גם הגדיל את הביצועים על ידי שיפור התכונות המוליכות של שכבת ההובלה האלקטרונית של תחמוצת הפח, והקל על איסוף האלקטרונים משכבת הפרובסקייט.
המדענים ביצעו שיפורים דומים לממשק שבין השכבה הפעילה perovskite לשכבת הובלת החורים. הפעם, הם הוסיפו סוג של perovskite בשם EAMA בין השכבות, מה שהגביר את היכולת של שכבת הובלת החורים לקבל חורים.
המכשיר המטופל ב- EAMA הראה גם יציבות טובה יותר בבדיקות לחות וטמפרטורה. זה נבע מאופן הפעולה של ה- EAMA עם פני השטח של השכבה הפעילה perovskite, שהיא פסיפס של גרגרי קריסטל. במכשירים סולאריים ללא EAMA, ראו המדענים כי סדקים נוצרו על פני השכבה הפעילה, שמקורם בגבולות בין הגרגרים הללו. כאשר הוסיפו המדענים EAMA, הם הבחינו כי החומר הפרובסקיט הנוסף מילא את גבולות התבואה והפסיק את כניסת הלחות, ומנע את היווצרותם של סדקים אלה.
הצוות גם שינה את שכבת הובלת החור עצמה, על ידי ערבוב בכמות קטנה של פולימר הנקרא PH3T. פולימר זה חיזק את עמידות הלחות בכך שהוא מספק לשכבה תכונות דוחה מים.
הפולימר גם פתר נושא מרכזי שקודם לכן הפריע לשיפורים ביציבות לטווח הארוך. האלקטרודה על גבי מודול השמש perovskite נוצרת מפסי זהב דקים. אך עם הזמן נודדים חלקיקי זהב זעירים מהאלקטרודה, דרך שכבת הובלת החורים ולתוך שכבת הפרובסקייט הפעילה. זה פוגע באופן בלתי הפיך בביצועי המכשיר.
כאשר שילבו החוקרים PH3T, הם גילו שחלקיקי הזהב היגרו למכשיר לאט יותר מה שהגדיל את אורך חיי המודול באופן משמעותי.
לשיפורם הסופי, הוסיפו המדענים שכבה דקה של הפולימר, פרילן, בנוסף לזכוכית, כדי לספק ציפוי מגן למודול השמש. עם הגנה נוספת זו, המודולים הסולאריים שמרו על 86% מהביצועים הראשוניים שלהם, גם לאחר 2000 שעות של תאורה קבועה.
בשיתוף פעולה עם ד"ר סעיד קאזוי במכון הלאומי למדע תעשייתי וטכנולוגיה מתקדם (AIST), צוות OIST בדק את המודולים הסולאריים המשופרים וקיבל יעילות של 16.6% - יעילות גבוהה מאוד למודול סולארי בגודל זה. החוקרים שואפים כעת לבצע שינויים אלה על מודולים סולאריים גדולים יותר, מה שמוביל את הדרך לפיתוח טכנולוגית שמש מסחרית רחבת היקף בעתיד.
