Ucuz, yaygın olarak bulunan malzemeler kullanan güneş pilleri için yeni bir tasarım, silikondan yapılan geleneksel hücrelere rakip ve daha iyi performans gösterebilir.

Bilim adamları yeni perovskite formları oluşturmak için kalay ve diğer bol elementleri kullandılar - silikon kristallerinden daha ince, daha esnek ve üretimi daha kolay olan fotovoltaik kristalin bir malzeme. Araştırmalarını dergide yayınlarlar Bilim.

Stanford Üniversitesi'nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan Michael McGehee, “Perovskite yarı iletkenleri yüksek verimli güneş pillerini düşük maliyetle yapma konusunda büyük umut vaat ettiler” diyor. “Güneş ışığını elektriğe dönüştüren, bugün piyasadaki silikon güneş pilleriyle karşılaştırılabilir bir oran olan yüzde 20.3 verimlilikle sağlam, tamamen perovskite bir cihaz tasarladık.”

Çift perovskite yığını

Yeni cihaz iki sıralı yığılmış iki perovskite güneş pilinden oluşuyor. Her hücre cam üzerine basılmıştır, ancak hücreleri plastik üzerine yazdırmak için aynı teknoloji kullanılabilir.

Oxford Üniversitesi fizik profesörü ortak yazar Henry Snaith, “Tamamen perovskite tandem hücreleri, ince film güneş pilleri için yüzde 30'in üzerinde verimlilik sağlayacak bir yol haritasını açıkça ortaya koyuyor” diyor. "Bu sadece başlangıç."

Önceki çalışmalar, bir perovskite katmanı eklemenin silikon güneş pillerinin verimliliğini artırabileceğini göstermiştir. Ancak bilim adamları, iki perovskite hücresinden oluşan tandem cihazların daha ucuz ve daha az enerji harcayacaklarını söylüyorlar.

Stanford'da doktora sonrası araştırmacı olan Tomas Leijtens, “Silisyum güneş paneli, 3,000 derece Fahrenheit (1,600 derece Santigrat derece) üzerindeki sıcaklıkları içeren bir işlemle silika kayayı silikon kristallerine dönüştürerek başlıyor” diyor. “Perovskite hücreleri, bir laboratuvarda kurşun, kalay ve brom gibi yaygın malzemelerden işlenebilir, ardından oda sıcaklığında cam üzerine basılabilir.”

Zor bir meydan okuma

Ancak tamamen perovskite bir tandem cihazı oluşturmak zor bir iştir. Asıl sorun, iyi bir voltaj üretmek için güneşten yeterince enerji alabilen sağlam perovskite materyalleri oluşturmaktır.

Tipik bir perovskite hücresi güneş spektrumunun görünür kısmından fotonlar toplar. Daha yüksek enerjili fotonlar, perovskite kristalindeki elektronların “enerji boşluğu” üzerinden atlamasına ve elektrik akımı oluşturmasına neden olabilir.

Küçük enerji boşluğu olan bir güneş pili çoğu fotonları emebilir ancak çok düşük voltaj üretir. Daha büyük enerji boşluğu olan bir hücre daha yüksek bir voltaj üretir, ancak daha düşük enerjili fotonlar tam içinden geçer.

Verimli bir tandem aygıtı, ideal olarak eşleşmiş iki hücreden oluşacak, diyor şu anda Washington Üniversitesi'nde Oxford’da çalışan bir doktora sonrası araştırmacı olan eş yazar Giles Eperon.

Eperon, “Daha büyük enerji boşluğuna sahip hücre, yüksek enerjili fotonları emer ve ek bir voltaj üretir” diyor. “Enerji boşluğu daha küçük olan hücre, ilk hücre tarafından toplanmayan ve hala voltaj üreten fotonları toplayabilir.”

İstikrar sorunu

Daha küçük aralığın bilim adamları için daha büyük bir zorluk olduğu kanıtlandı. Birlikte çalışarak, Eperon ve Leijtens, küçük bir enerji boşluğuna sahip verimli bir hücre oluşturmak için kalay, kurşun, sezyum, iyot ve organik maddelerin eşsiz bir kombinasyonunu kullandı.

Eperon, “Düşük enerjili kızılötesi ışığı emen ve yüzde 14.8 dönüşüm verimliliği sağlayan yeni bir perovskite geliştirdik” diyor. “Daha sonra onu benzer malzemelerden oluşan bir perovskite hücresiyle birleştirdik, ancak daha büyük bir enerji boşluğu ile”.

Sonuç:% 20.3 birleşik verime sahip iki perovskite hücresinden oluşan tandem bir cihaz.

“Perovskiler için binlerce olası bileşik var,” diyor Leijtens, “ama bu çok iyi çalışıyor, ondan önceki her şeyden biraz daha iyi.”

'Glue' numarası, perovskite solar hücreleri daha da büyütüyor

Perovskites ile ilgili bir endişe istikrar. Silikondan yapılmış çatı güneş panelleri tipik olarak 25 yıl veya daha fazla dayanır. Ancak bazı perovsitler nem veya ışığa maruz kaldıklarında hızlı bir şekilde bozulurlar. Önceki deneylerde, kalay ile yapılan perovskitlerin özellikle dengesiz olduğu bulundu.

İstikrarı değerlendirmek için araştırma ekibi her iki deney hücresini de dört gün boyunca 212 derece Fahrenheit (100 derece Santigrat) sıcaklıklarına maruz bıraktı.

Yazarlar, “En önemlisi, hücrelerimizin kalay bazlı perovsitler için benzeri görülmemiş mükemmel termal ve atmosferik stabilite sergilediklerini gördük” dedi.

McGehee, “Tandem cihazımızın verimliliği, organik küçük moleküller ve mikrokristalli silikon gibi diğer düşük maliyetli yarı iletkenlerle yapılan en iyi tandem güneş pillerinden çoktan fazla” dedi. “Potansiyeli görenler bu sonuçların inanılmaz olduğunu fark ediyorlar.”

Bir sonraki adım, malzemelerin bileşiminin daha fazla ışık emmesi ve daha da yüksek bir akım üretmesi için optimize edilmesidir, Snaith diyor.

“Şimdi çok yüksek verim elde etme potansiyeli ile birleştiğinde düşük malzeme ve üretim maliyeti olan perovskitlerin çok yönlülüğü, üretilebilirliği ve kabul edilebilir kararlılığı kanıtlandığında fotovoltaik endüstrisine dönüştürülecektir” dedi.

Stanford, Oxford, Belçika'daki Hasselt Üniversitesi ve SunPreme Inc.'den diğer araştırmacılar çalışmanın ortak yazarlarıdır.

Finansman, Graphene Flagship, The Leverhulme Trust, İngiltere Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi, Avrupa Birliği Yedinci Çerçeve Programı, Horizon 2020, ABD Deniz Araştırmaları Ofisi ve Stanford'daki Küresel İklim ve Enerji Projesi'nden geldi.

Kaynak: Stanford Üniversitesi

İlgili Kitaplar:

at InnerSelf Pazarı ve Amazon