Każda ostatnia kropla słońca: naukowcy z UCSB zwiększają wydajność ogniw słonecznych za pomocą kryształów perowskitu

W rosnącym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii w Stanach Zjednoczonych przewiduje się, że wytwarzanie energii słonecznej będzie składać się z 48% całkowitej energii odnawialnej do 2050 roku, zgodnie z Center for Climate and Energy Solutions.

Mark Turiansky, absolwent, który jest częścią grupy badawczej kierowanej przez profesora materiałów Chris G. Van de Walle, mówi, że aby zapewnić ten wzrost, wydajność, dzięki której gromadzona jest energia słoneczna, musi zostać zmaksymalizowana. Materiały, a mianowicie wykorzystanie kryształów perowskitu w ogniwach słonecznych, są istotnym elementem tego celu.

Grupa Van de Walle przez wiele lat stosowała techniki obliczeniowe do badania różnych materiałów do zbierania energii słonecznej. Dr Xie Zhang, badacz podoktorski w grupie, prowadził ten projekt. W szczególności, badali procesy rekombinacji w półprzewodnikach, gdzie analizują, co dzieje się z wzbudzonym elektronem w półprzewodniku, aby sprawdzić, czy wytwarza on światło czy ciepło. W tym przypadku starali się zoptymalizować produkcję światła w ogniwie słonecznym, jednocześnie minimalizując produkcję ciepła. Materiałem, na którym się skupiali, były hybrydowe perowskity, składające się z samego kryształu perowskitu oraz wbudowania atomów nieorganicznych.

„Te hybrydowe perowskity przyciągnęły wiele uwagi, ponieważ są bardzo tanie w syntezie, a co ważniejsze, zostały wykorzystane do tworzenia ogniw słonecznych o niezwykłej wydajności” -powiedział Turiansky. „Konkurują nawet z wydajnością krzemowych ogniw słonecznych, które są aktualnym stanem techniki.”

Dzięki tej wiedzy o potencjale materiału, zespół zastosował swoje metodologie, aby zbudować fundament i zrozumieć sam perowskit, a także jego wykorzystanie. Zamiast przeprowadzać eksperymenty w laboratorium, zespół przeprowadził badania obliczeniowe, uruchamiając obliczenia przy użyciu zasobów superkomputerowych dostarczonych przez Narodowe Centrum Informatyki badań energii.

Turiansky powiedział, że ich praca pochodzi również z „pierwszych zasad”, co oznacza, że nie pasują do eksperymentów — raczej wyprowadzali swoje liczby, rozwiązując kwantowe równania mechaniczne, które opisują, jak elektrony zachowują się w materiałach.

W swoich badaniach grupa odkryła wady, które ograniczały wydajność ogniw słonecznych. Eksperymentalnie nie mogli znaleźć tych wad. Wykorzystali więc obliczenia do badania wad kandydata, które mogłyby wyjaśnić to, co zostało zaobserwowane.

„Natknęliśmy się na coś nowego, Wodór-powiedział Turiansky. „Większość badań traktuje cząsteczkę organiczną jako nierozłączną jednostkę, ale odkryliśmy, że bardzo możliwe jest oderwanie atomu wodoru od tych cząsteczek.”

Ich obliczenia ilościowo wykazały, że ta wakat, według Turiansky ’ ego, wyjaśnia obserwacje eksperymentalne i jest głównym źródłem utraty wydajności. Zbadano również drugi Hybrydowy perowskit ze związkami formamidyniowymi i stwierdzono, że wolne miejsca wodorowe były mniej problematyczne w tym materiale. W związku z tym stwierdzono, że stopowanie perowskitu formamidyńskim zamiast pierwotnego metyloamonu zwiększyło wydajność hybrydowych ogniw słonecznych perowskitu.

„Jest to główna atrakcja naszej pracy” – powiedział Turiansky. „Nie tylko możemy interpretować i wyjaśniać obserwacje eksperymentalne, ale możemy przewidywać i znajdować nowe obiecujące kierunki badań za pomocą naszych obliczeń.”

Praca grupy Van de Walle jest, powiedział Turiansky, bardzo ważnym krokiem w kierunku zwiększenia wydajności urządzeń ogniw słonecznych. Ich wyniki sugerują modyfikację warunków syntezy w celu zminimalizowania strat wodoru przez stopowanie perowskitu materiałami nie podatnymi na tworzenie się wolnych miejsc wodoru, takimi jak formamidynium.

„Dzięki temu odkryciu hybrydowe perowskitowe ogniwa słoneczne mogą bardzo dobrze stać się wiodącym tanim, wysokowydajnym materiałem ogniw słonecznych” -powiedział Turiansky. „Niedługo ludzie będą umieszczać na dachach hybrydowe ogniwa słoneczne oparte na perowskitach.”

Dodaj komentarz