Sumber: oist.jp
Penyelidik dari Universiti Siswazah Sains dan Teknologi Okinawa (OIST) telah mencipta modul solar generasi akan datang dengan kecekapan tinggi dan kestabilan yang baik. Dibuat menggunakan jenis bahan yang disebut perovskites, modul suria ini dapat mengekalkan prestasi tinggi selama lebih dari 2000 jam. Penemuan mereka, yang dilaporkan pada 20Julai 2020 dalam jurnal terkemuka, Nature Energy, telah memberi prospek pengkomersialan.
Perovskites berpotensi merevolusikan industri teknologi solar. Fleksibel dan ringan, mereka menjanjikan fleksibiliti lebih tinggi daripada sel berasaskan silikon yang berat dan tegar yang kini menguasai pasaran. Tetapi saintis mesti mengatasi beberapa rintangan utama sebelum perovskites dapat dikomersialkan.
"Terdapat tiga syarat yang mesti dipenuhi oleh perovskites: mereka mesti murah untuk dihasilkan, sangat efisien dan mempunyai jangka hayat yang panjang," kata Profesor Yabing Qi, ketua OISTUnit Bahan Tenaga dan Sains Permukaan, yang mengetuai kajian ini.
Demonstrasi Sel Suria Perovskite
Kos pembuatan sel suria perovskite adalah rendah, kerana bahan mentah yang murah memerlukan sedikit tenaga untuk diproses. Dan dalam lebih dari satu dekad, para saintis telah membuat kemajuan besar dalam meningkatkan seberapa berkesan sel suria perovskite mengubah cahaya matahari menjadi elektrik, dengan tahap kecekapan sekarang sebanding dengan sel berasaskan silikon.
Namun, setelah ditingkatkan dari sel suria kecil ke modul suria yang lebih besar, tahap kecekapan perovskites merosot. Ini bermasalah kerana teknologi solar komersial perlu tetap cekap pada ukuran panel suria, panjangnya beberapa kaki.
"Peningkatan skala sangat menuntut; sebarang kecacatan pada bahan menjadi lebih jelas sehingga anda memerlukan bahan berkualiti tinggi dan teknik fabrikasi yang lebih baik, ”jelas Dr. Luis Ono, pengarang bersama kajian ini.
(Kiri) Unit Bahan Tenaga dan Sains Permukaan OIST berfungsi dengan sel suria dan modul dengan ukuran yang berbeza-beza. (Kanan) Dalam kajian ini, para saintis bekerja dengan modul solar 5 cm x 5 cm.
Ketidakstabilan perovskites adalah satu lagi masalah utama dalam penyelidikan yang mendalam. Sel suria komersial mesti dapat bertahan selama bertahun-tahun tetapi pada masa ini sel suria perovskite merosot dengan cepat.
Membangun lapisan
Pasukan Profesor Qi, yang disokong oleh Program Proof-of-Concept Pusat Pembangunan Teknologi dan Inovasi OIST, menangani masalah kestabilan dan kecekapan ini menggunakan pendekatan baru. Peranti suria Perovskite terdiri daripada beberapa lapisan - masing-masing dengan fungsi tertentu. Daripada hanya memfokuskan pada satu lapisan, mereka melihat keseluruhan prestasi peranti dan bagaimana lapisan berinteraksi antara satu sama lain.
Lapisan perovskite aktif, yang menyerap cahaya matahari, terletak di tengah-tengah peranti, diapit antara lapisan lain. Apabila foton cahaya menyerang lapisan perovskite, elektron bercas negatif memanfaatkan tenaga ini dan "melompat" ke tahap tenaga yang lebih tinggi, meninggalkan "lubang" bermuatan positif di mana elektron dulu. Cas-cas ini kemudian dialihkan ke arah yang berlawanan ke lapisan pengangkutan elektron dan lubang di atas dan di bawah lapisan aktif. Ini mewujudkan aliran cas - atau elektrik - yang dapat meninggalkan peranti suria melalui elektrod. Peranti ini juga dikemas oleh lapisan pelindung yang mengurangkan degradasi dan mencegah bahan kimia toksik dari kebocoran ke persekitaran.
Sel suria dan modul perovskite terdiri daripada banyak lapisan, masing-masing mempunyai fungsi tertentu. Para saintis menambah atau mengubah lapisan yang diserlahkan dengan warna oren.
Dalam kajian itu, para saintis bekerja dengan modul suria yang berukuran 22.4 cm2.
Para saintis pertama kali memperbaiki antara muka antara lapisan aktif perovskite dan lapisan pengangkutan elektron, dengan menambahkan bahan kimia yang disebut EDTAK antara kedua lapisan tersebut. Mereka mendapati bahawa EDTAK menghalang lapisan pengangkutan elektron timah oksida daripada bertindak balas dengan lapisan aktif perovskite, meningkatkan kestabilan modul suria.
EDTAK juga meningkatkan kecekapan modul suria perovskite dengan dua cara yang berbeza. Pertama, kalium dalam EDTAK berpindah ke lapisan perovskite aktif dan "menyembuhkan" kecacatan kecil pada permukaan perovskite. Ini menghalang kecacatan ini daripada menjebak elektron dan lubang yang bergerak, yang membolehkan lebih banyak elektrik dihasilkan. EDTAK juga meningkatkan prestasi dengan meningkatkan sifat konduktif lapisan pengangkutan elektron timah oksida, menjadikannya lebih mudah untuk mengumpulkan elektron dari lapisan perovskite.
Para saintis membuat penambahbaikan yang serupa pada antara muka antara lapisan aktif perovskite dan lapisan pengangkutan lubang. Kali ini, mereka menambahkan jenis perovskite yang disebut EAMA di antara lapisan, yang meningkatkan kemampuan lapisan pengangkutan lubang untuk menerima lubang.
Peranti yang dirawat EAMA juga menunjukkan kestabilan yang lebih baik dalam ujian kelembapan dan suhu. Ini disebabkan oleh bagaimana EAMA berinteraksi dengan permukaan lapisan aktif perovskite, yang merupakan mozek butiran kristal. Dalam peranti suria tanpa EAMA, para saintis melihat bahawa retakan terbentuk di permukaan lapisan aktif, yang berasal dari batas antara biji-bijian ini. Semasa para saintis menambahkan EAMA, mereka memerhatikan bahawa bahan perovskite tambahan memenuhi batas butir dan menghentikan kelembapan masuk, mencegah retakan ini terbentuk.
Pasukan ini juga mengubah lapisan pengangkutan lubang itu sendiri, dengan mencampurkan sejumlah kecil polimer yang disebut PH3T. Polimer ini meningkatkan ketahanan kelembapan dengan menyediakan lapisan dengan sifat penghalau air.
Polimer juga menyelesaikan masalah utama yang sebelumnya telah menghalang peningkatan kestabilan jangka panjang. Elektrod di bahagian atas modul suria perovskite terbentuk dari jalur emas nipis. Tetapi lama-kelamaan, zarah emas kecil berpindah dari elektrod, melalui lapisan pengangkutan lubang dan ke lapisan perovskite aktif. Ini akan merosakkan prestasi peranti secara tidak berbalik.
Apabila para penyelidik memasukkan PH3T, mereka mendapati bahawa zarah-zarah emas berpindah ke peranti dengan lebih perlahan yang secara signifikan meningkatkan jangka hayat modul.
Untuk penambahbaikan terakhir mereka, para saintis menambahkan lapisan polimer nipis, parylene, selain kaca, untuk memberikan lapisan pelindung pada modul suria. Dengan perlindungan tambahan ini, modul surya mengekalkan sekitar 86% prestasi awalnya, bahkan setelah 2000 jam pencahayaan berterusan.
Bekerjasama dengan Dr. Said Kazaoui di Institut Sains dan Teknologi Perindustrian Lanjutan (AIST), pasukan OIST menguji modul solar yang diperbaiki dan memperoleh kecekapan 16.6% - kecekapan yang sangat tinggi untuk modul solar sebesar itu. Para penyelidik kini bertujuan untuk melakukan pengubahsuaian ini pada modul suria yang lebih besar, memimpin pengembangan teknologi solar komersial berskala besar di masa depan.
