Sumber: utoronto.ca
Pasukan penyelidik dari Fakulti Sains Gunaan & Kejuruteraan Universiti Toronto telah memanfaatkan mekanik kuantum untuk mengoptimumkan lapisan aktif dalam peranti yang dikenali sebagai sel suria perovskit terbalik – teknologi yang suatu hari nanti boleh mengakibatkan pasaran-massa sel suria yang sebahagian kecil daripada yang ada di pasaran.
Pada masa ini, hampir semua sel suria komersial diperbuat daripada silikon-ketulenan tinggi, yang memerlukan tenaga yang besar untuk dihasilkan. Tetapi penyelidik di seluruh dunia sedang bereksperimen dengan teknologi solar alternatif yang boleh dihasilkan dan dipasang dengan tenaga yang kurang dan pada kos yang lebih rendah.
Salah satu alternatif ini, yang sedang dikaji dalammakmal Kumpulan Sargent, dikenali sebagai perovskite. Kuasa bahan perovskit berasal daripada struktur kristal uniknya, yang membolehkan mereka menyerap cahaya dalam lapisan yang sangat nipis dan menukarnya kepada elektrik dengan cekap.
"Kristal perovskite diperbuat daripada dakwat cecair dan disalut pada permukaan menggunakan teknologi yang telah -mapan dalam industri seperti pencetakan-ke-gulungan," kata Hao Chen, seorang jawatan-penyelidik kedoktoran di makmal Sargent dan salah seorang daripada empat-pengarang utamamakalah baharu yang diterbitkan dalam Nature Photonics.
"Disebabkan ini, sel solar perovskite berpotensi untuk dihasilkan secara besar-besaran pada kos tenaga yang jauh lebih rendah daripada silikon. Cabarannya ialah pada masa ini sel solar perovskite ketinggalan sel silikon tradisional dalam kestabilan. Dalam kajian ini, kami bertujuan untuk menutup jurang itu. "
Chen, bersama-sama dengan-pengarang utamanya – calon PhD Sam Teale dan-penyelidik doktoral Bin Chen dan Yi Hou – menggunakan strategi berdasarkan struktur sel suria terbalik.
Dalam kebanyakan prototaip sel suria perovskite, elektron keluar melalui elektrod negatif di lapisan bawah sel, dengan "lubang" yang mereka tinggalkan keluar melalui elektrod positif di bahagian atas.
Membalikkan susunan ini membolehkan penggunaan teknik pembuatan alternatif dan penyelidikan lepas telah menunjukkan bahawa ini boleh meningkatkan kestabilan lapisan perovskit. Tetapi perubahan itu datang pada kos dari segi prestasi.
"Sukar untuk mendapatkan sentuhan yang baik antara lapisan perovskite dan elektrod atas, " kata Chen. "Untuk menyelesaikannya, penyelidik biasanya memasukkan lapisan pempasifan yang diperbuat daripada molekul organik. Itu berfungsi dengan baik dalam orientasi tradisional, kerana 'lubang' boleh melalui lapisan pempasifan ini. Tetapi elektron disekat oleh lapisan ini, jadi apabila anda menyongsangkan sel ia menjadi masalah besar."
Pasukan ini mengatasi had ini dengan mengambil kesempatan daripada mekanik kuantum - prinsip fizikal yang menyatakan kelakuan bahan pada skala panjang yang sangat kecil adalah berbeza daripada apa yang diperhatikan pada skala yang lebih besar.
"Dalam sel suria prototaip kami, perovskit terhad kepada lapisan yang sangat nipis - hanya satu hingga tiga kristal tinggi," kata Teale. "Bentuk dua-dimensi ini membolehkan kami mengakses sifat yang dikaitkan dengan mekanik kuantum. Kami boleh mengawal, contohnya, panjang gelombang cahaya yang diserap oleh perovskit atau cara elektron bergerak dalam lapisan."
Pasukan ini mula-mula menggunakan teknik kimia yang ditubuhkan oleh kumpulan lain untuk menghasilkan dua-permukaan perovskit dua dimensi di atas sel suria mereka. Ini membolehkan lapisan perovskite mencapai pempasifan dengan sendirinya, menghapuskan keperluan untuk lapisan organik sama sekali.
Untuk mengatasi kesan penyekatan elektron, pasukan itu meningkatkan ketebalan lapisan perovskite daripada satu kristal tinggi kepada tiga. Simulasi komputer telah menunjukkan bahawa perubahan ini akan mengubah landskap tenaga secukupnya untuk membolehkan elektron melarikan diri ke dalam litar luaran, ramalan yang telah dibuktikan dalam makmal.
Kecekapan penukaran kuasa sel pasukan diukur pada 23.9 peratus, tahap yang tidak pudar selepas 1,000 jam beroperasi pada suhu bilik. Walaupun tertakluk kepada proses penuaan dipercepatkan standard industri pada suhu sehingga 65 C, prestasi hanya menurun sebanyak lapan peratus selepas lebih daripada 500 jam penggunaan.
Kerja masa depan akan memberi tumpuan kepada meningkatkan lagi kestabilan sel, termasuk di bawah suhu yang lebih tinggi. Pasukan itu juga ingin membina sel dengan luas permukaan yang lebih besar, kerana sel semasa hanya bersaiz kira-kira lima milimeter persegi.
Namun, keputusan semasa memberi petanda baik untuk masa depan teknologi solar alternatif ini.
"Dalam makalah kami, kami membandingkan prototaip kami dengan kedua-dua sel solar perovskite tradisional dan terbalik yang baru-baru ini diterbitkan dalam kesusasteraan saintifik, " kata Teale.
"Gabungan kestabilan tinggi dan kecekapan tinggi yang kami capai benar-benar menyerlah. Kami juga harus ingat bahawa teknologi perovskite hanya berusia beberapa dekad, manakala silikon telah diusahakan selama 70 tahun. Masih terdapat banyak penambahbaikan untuk datang."