טיפול חדש שפותח על ידי חוקרי HKUST מגביר משמעותית את היעילות והעמידות של תאים סולריים פרוסקיט, ומציע התקדמות מבטיחה לאנרגיה נקייה ניתנת להרחבה.
חוקרי HKUST חידשו טיפול מולקולרי כדי לשפר הן את היעילות והן את העמידות של תאי שמש פרוסקיט, מה שעשוי להקל על הרחבת טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת בקנה מידה תעשייתי.
טכנולוגיות פוטו-וולטאיות (PV), שהופכות אור לחשמל, נמצאות יותר ויותר בשימוש ברחבי העולם להפקת אנרגיה מתחדשת. חוקרים מבית הספר להנדסה באוניברסיטת הונג קונג למדע וטכנולוגיה (HKUST) פיתחו טיפול מולקולרי המשפר באופן מהותי את היעילות ואת אורך החיים של תאי שמש פרוסקיט. לפריצת דרך זו יש פוטנציאל לזרז את הייצור בקנה מידה גדול של מקור אנרגיה נקייה זה.
המפתח לפתרון היה הזיהוי המוצלח של פרמטרים קריטיים הקובעים את הביצועים ואת תוחלת החיים של הליד פרוסקיטים, חומר פוטו-וולטאי מהדור הבא שהתגלה כאחד החומרים המבטיחים ביותר בהתקני PV בשל מבנה הגביש הייחודי שלו. הממצאים פורסמו ב מַדָע.
בהנחייתו של עוזר פרופסור לין ין-הונג מהמחלקה להנדסת אלקטרוניקה ומחשבים ומהמעבדה המרכזית של המדינה לטכנולוגיות צגים מתקדמות ואופטו-אלקטרוניקה, חקר צוות המחקר דרכים שונות לפסיביות, תהליך כימי שמפחית את מספר הפגמים או מפחית את השפעתם בחומרים, ובכך לשפר את הביצועים ואת אורך החיים של מכשירים הכוללים חומרים אלה. הם התמקדו במשפחה המולקולרית "אמינו-סילאן" לפסיבציה של תאי שמש פרוסקיט.
מולקולות אמינו-סילאן ותכונות הייצור והאופטו-אלקטרוניות שלהן. קרדיט: HKUST
שיפור יעילות תא סולארי ואריכות ימים
"פסיבציה בצורות רבות הייתה חשובה מאוד בשיפור היעילות של תאים סולאריים פרוסקיט בעשור האחרון. עם זאת, מסלולי פסיבציה המובילים ליעילות הגבוהה ביותר לרוב אינם משפרים באופן מהותי את היציבות התפעולית לטווח ארוך", הסביר פרופ' לין את הבעיה.
בפעם הראשונה, צוות המחקר הראה כיצד סוגים שונים של אמינים (ראשוני, שניוני ושלישוני) והשילובים שלהם יכולים לשפר את משטחי סרטי פרוסקיט שבהם נוצרים פגמים רבים. הם השיגו זאת באמצעות שיטות "ex-situ" (מחוץ לסביבת ההפעלה) ו-"in-situ" (בתוך סביבת ההפעלה) כדי לצפות באינטראקציות של מולקולות עם פרוסקיטים. משם, הם זיהו מולקולות שמגבירות באופן משמעותי את התפוקה הקוונטית של הפוטו-luminescence (PLQY), כלומר את כמות הפוטונים הנפלטים במהלך עירור חומרים, מה שמצביע על פחות פגמים ואיכות טובה יותר.
עוזר פרופסור לין ין-הונג מהמחלקה להנדסת אלקטרוניקה ומחשבים ומעבדת המפתח של המדינה לטכנולוגיות צגים מתקדמות ואופטואלקטרוניקה (מימין), דוקטורנט להנדסת אלקטרוניקה ומחשבים קאו שואלי (במרכז), ומנהל בכיר של מעבדת המפתח של המדינה של צגים מתקדמות וטכנולוגיות אופטואלקטרוניקה ד"ר פיון יונג (משמאל). קרדיט: HKUST
"גישה זו חיונית לפיתוח של תאים סולאריים טנדם, המשלבים שכבות מרובות של חומרים פוטו-אקטיביים עם פערי פס שונים. התכנון ממקסם את השימוש בספקטרום השמש על ידי קליטת חלקים שונים של אור שמש בכל שכבה, מה שמוביל ליעילות כללית גבוהה יותר", פירט פרופ' לין את היישום.
בהדגמת התא הסולארי שלהם, הצוות ייצר מכשירים בגדלים בינוניים (0.25 ס"מ) וגדולים (1 ס"מ). הניסוי השיג אובדן מתח פוטו נמוך על פני מגוון רחב של פערי פס, תוך שמירה על פלט מתח גבוה. התקנים אלה הגיעו למתחי מעגל פתוח גבוהים מעבר ל-90% מהמגבלה התרמודינמית. בנצ'מרקינג מול כ-1,700 סטים של נתונים מהספרות הקיימת הראה שהתוצאה שלהם הייתה בין הטובות שדווחו עד כה מבחינת יעילות בהמרת אנרגיה.
הפגנת יציבות תפעולית
באופן קריטי אף יותר, המחקר הוכיח יציבות תפעולית יוצאת דופן עבור תאים פסיבים של אמינו-סילאן במסגרת הפסגה הבינלאומית על תאים סולריים אורגניים (ISOS)-L-3, הליך בדיקה סטנדרטי עבור תאים סולאריים. כ-1,500 שעות לתוך תהליך ההזדקנות של התא, היעילות המקסימלית של נקודת הכוח (MPP) ויעילות המרת ההספק (PCE) נותרו ברמות גבוהות. כדי שהתאים המופסיבים הטובים ביותר ירדו ל-95% מהערכים ההתחלתיים שלהם, יעילות MPP האלופה וה-PCE האלופה נרשמו ב-19.4% ו-20.1% בהתאמה – מהגבוהים (כאשר נלקחו בחשבון לפער הפס) והמדדים הארוכים ביותר שדווחו. תַאֲרִיך.
פרופ' לין הדגיש שתהליך הטיפול שלהם לא רק מגביר את היעילות והעמידות של תאים סולאריים פרוסקיט, אלא גם תואם לייצור בקנה מידה תעשייתי.
"טיפול זה דומה לתהליך ה-HMDS (hexamethyldisilazane) בשימוש נרחב בתעשיית המוליכים למחצה", אמר. "דמיון כזה מצביע על כך שניתן לשלב בקלות את השיטה החדשה שלנו בתהליכי ייצור קיימים, מה שהופך אותה לבת קיימא מסחרית ומוכנה ליישום בקנה מידה גדול."
הצוות כלל את דוקטורנט להנדסת אלקטרוניקה ומחשבים Cao Xue-Li, מנהל בכיר של מעבדת המפתח של המדינה לתצוגות מתקדמות וטכנולוגיות אופטואלקטרוניקה, ד"ר פיון יונג, יחד עם משתפי פעולה מאוניברסיטת אוקספורד ומאוניברסיטת שפילד.
