חוקרי NUS שילבו בהצלחה אניון חדש, ציאנט, במבנה פרוסקיט, שהיה פריצת דרך מפתח בייצור תאי שמש חדשים של פרוסקיט/Si עם צומת משולש. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
חוקרים מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) פיתחו תא סולארי משולש צומת פרובסקיט/Si טנדם שיכול להשיג יעילות המרת חשמל שיא עולמי של 27.1 אחוזים על פני שטח קליטת אנרגיה סולארית של 1 ס"מ. הישג זה מסמן את הביצועים הגבוהים ביותר עבור תא סולארי טנדם פרוסקיט/סיליקון עם צומת משולש עד כה. פריצת הדרך התאפשרה על ידי פיתוח תא סולארי חדשני משולב ציאנאט, הידוע ביציבותו וביעילותו האנרגטית הגבוהה.
ניתן לייצר תאים סולאריים ביותר משתי שכבות ולהרכיב אותם ליצירת תאים סולאריים מרובי צומת כדי להגביר את היעילות. כל שכבה עשויה מחומרים פוטו-וולטאיים שונים וסופגת אנרגיית שמש בטווח שונה. עם זאת, הטכנולוגיות הנוכחיות של תאים סולאריים מרובי-צומתים מציבות בעיות רבות, כגון אובדן אנרגיה אשר מוביל למתח נמוך וחוסר יציבות של המכשיר במהלך הפעולה.
כדי להתגבר על האתגרים הללו, עוזר פרופסור Hou Yi הוביל צוות של מדענים ממכללת NUS לעיצוב והנדסה (CDE) ומהמכון לחקר אנרגיה סולארית של סינגפור (SERIS) כדי להדגים, בפעם הראשונה, שילוב מוצלח של ציאנט בפרוסקיט. תא סולארי לפיתוח תא סולארי בעל צומת משולש משולש סולארי / Si טנדם סולארי העולה על הביצועים של תאים סולאריים מרובי-צומת דומים אחרים. אסט פרופ' Hou הוא פרופסור צעיר נשיאותי במחלקה להנדסה כימית וביו-מולקולרית במסגרת CDE וכן ראש קבוצה ב-SERIS, מכון מחקר ברמת האוניברסיטה ב-NUS.
"למרבה הפלא, לאחר 15 שנים של מחקר מתמשך בתחום תאים סולאריים מבוססי פרובסקיט, עבודה זו מהווה את העדות הניסויית הראשונה להכללת ציאנט בפרוסקיטים כדי להגביר את יציבות המבנה שלו ולשפר את יעילות המרת הכוח", אמר א.פ. הו.
תהליך הניסוי שהוביל לתגלית פורצת דרך זו פורסם בכתב העת טֶבַע.
עוזר פרופסור Hou Yi (מימין) וד"ר ליו שונצ'אנג (משמאל) מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור (NUS) ייצרו את התאים הסולאריים החדשים של פרוסקיט/Si עם צומת משולש באמצעות טכנולוגיות וציוד חדישים במכון לחקר האנרגיה הסולארית של סינגפור ב-NUS. לתאים סולאריים טנדם אלה יש יעילות המרת חשמל מרשימה עם שיא עולמי של 27.1 אחוז על פני שטח פעיל של 1 ס"מ מ"ר. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
ייצור טכנולוגיית תאים סולאריים חסכונית באנרגיה
האינטראקציות בין מרכיבי מבנה הפרובסקיט קובעות את טווח האנרגיה שאליו הוא יכול להגיע. התאמת הפרופורציה של רכיבים אלה או מציאת תחליף ישיר יכולים לעזור לשנות את טווח האנרגיה של הפרובסקיט. עם זאת, מחקר קודם טרם הפיק מתכון פרוסקיט עם טווח אנרגטי רחב במיוחד ויעילות גבוהה.
בעבודה זו שפורסמה לאחרונה, צוות NUS ערך ניסויים בציאנאט, פסאודוהאליד חדש, כתחליף לברומיד – יון מקבוצת ההלידים הנפוץ בפרוסקיטים. ד"ר ליו שונצ'אנג, עמית מחקר בצוות של אסט פרופ' הו, השתמש בשיטות אנליטיות שונות כדי לאשר את השילוב המוצלח של ציאנט במבנה הפרובסקיט, ויצר תא סולארי פרובסקיט משולב בציאנאט.
ניתוח נוסף של המבנה האטומי של הפרובסקיט החדש סיפק – לראשונה – ראיות ניסיוניות ששילוב ציאנט סייע לייצב את המבנה שלו וליצור אינטראקציות מרכזיות בתוך הפרובסקיט, והדגים כיצד הוא מהווה תחליף בר-קיימא להלידים בתאים סולאריים מבוססי פרוסקיט.
עם פוטנציאל להשיג יותר מ-50 אחוז יעילות המרת הספק, טכנולוגיית תאים סולאריים סולאריים משולשת צומת משולשת/Si שפותחה על ידי עוזר פרופסור Hou Yi (משמאל) וד"ר ליו שונצ'אנג (מימין) מהאוניברסיטה הלאומית של סינגפור סוללת את הדרך. עבור מגוון רחב של יישומים לרתימת אנרגיה סולארית עם אילוצי מקום. קרדיט: האוניברסיטה הלאומית של סינגפור
בעת הערכת הביצועים, מדעני NUS מצאו כי תאים סולאריים פרוסקיט המשולבים עם ציאנט יכולים להשיג מתח גבוה יותר של 1.422 וולט בהשוואה ל-1.357 וולט עבור תאים סולאריים פרוסקיט קונבנציונליים, עם הפחתה משמעותית באובדן אנרגיה.
החוקרים בדקו גם את התא הסולארי הפרובסקיט שהונדס לאחרונה על ידי הפעלתו מתמשכת בהספק מרבי במשך 300 שעות בתנאים מבוקרים. לאחר תקופת הבדיקה, התא הסולארי נשאר יציב ותפקד מעל 96 אחוזי קיבולת.
מעודדים מהביצועים המרשימים של תאים סולאריים פרובסקיט המשולבים בציאנט, צוות NUS לקח את התגלית פורצת הדרך לשלב הבא על ידי שימוש בו להרכבת תא סולארי פרוסקיט/סי טנדם עם צומת משולש. החוקרים ערמו תא סולארי פרובסקיט ותא סולארי סיליקון כדי ליצור חצי תא עם צומת כפול, המהווה בסיס אידיאלי לחיבור של התא הסולארי פרוסקיט המשולב בציאנט.
לאחר ההרכבה, החוקרים הוכיחו שלמרות המורכבות של מבנה התאים הסולאריים הסולאריים המשולשים בצומת משולשת/Si, הוא נשאר יציב והשיג יעילות שיא עולמית מאושרת של 27.1 אחוזים ממעבדת כיול פוטו-וולטאית עצמאית מוסמכת.
"ביחד, ההתקדמות הללו מציעות תובנות פורצות דרך להפחתת אובדן אנרגיה בתאים סולאריים פרוסקיט וקובעות מסלול חדש לפיתוח נוסף של טכנולוגיה סולארית משולשת המבוססת על צומת פרוסקיט", אמר אסט פרופ' Hou.
הצעדים הבאים
היעילות התיאורטית של תאים סולאריים מסוג פרוסקיט/Si עם צומת משולש עולה על 50 אחוז, מה שמציג פוטנציאל משמעותי לשיפורים נוספים, במיוחד ביישומים שבהם שטח ההתקנה מוגבל.
בהמשך, צוות NUS שואף לשדרג את הטכנולוגיה הזו למודולים גדולים יותר מבלי לפגוע ביעילות וביציבות. מחקר עתידי יתמקד בחידושים בממשקים ובהרכב של perovskite – אלו הם תחומי מפתח שזוהו על ידי הצוות כדי לקדם עוד יותר את הטכנולוגיה הזו.
