Tyrėjai iš Kinijos „Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology“ (QIBEBT) patobulino invertuotųjų perovskitinių saulės elementų (PSC) veikimą.
Jų darbe pristatytas naujas būdas stabilizuoti vadinamąją „paslėptąją sandūrą“ – mikroskopinį sluoksnį giliai invertuotojo perovskitinio saulės elemento viduje, kuriame dažniausiai „žūsta“ ir efektyvumas, ir ilgaamžiškumas.
Šį sluoksnį sudėtinga kontroliuoti, nes jis ribojasi ir su perovskitiniu sluoksniu, ir su skylučių pernašos sluoksniu. Dėl to invertuotieji perovskitiniai elementai dažnai pasižymi elektroniniais defektais ir netolygiu kristaline struktūra pačiame savo „pamatais“ laikomame sluoksnyje.
Tyrimais QIBEBT komanda pagaliau rado būdą, kaip suvaldyti šią problematišką sandūrą. Mokslininkai pristatė „crystal-solvate“ (CSV) išankstinio sėjimo metodą.
Įdomu tai, kad ši technika nukreipia saulės elementų kristalų augimą iš apačios į viršų, taip suformuodama beveik idealius, energiją surenkančius plėvelinius sluoksnius.
Išankstinio sėjimo metodas
Invertuotieji perovskitiniai saulės elementai laikomi savotišku „jaunesniuoju broliu“ palyginti su įprastomis saulės elementų technologijomis. Jie paprasčiau gaminami dideliais kiekiais ir turi didžiulį galios potencialą.
Tačiau pagrindinis iššūkis kyla apatiniame sluoksnyje, kur perovskitas susiliečia su substratu arba skylučių pernašos sluoksniu.
Elektroniniai defektai ir mikroskopinės ertmės šioje paslėptojoje sandūroje sulėtina krūvininkų judėjimą ir lemia ankstyvą elemento degradaciją.
QIBEBT komanda, vadovaujama profesoriaus Pang Shuping ir daktarės Sun Xiuhong, nusprendė iš esmės pertvarkyti šį „pamatinį“ sluoksnį.
Siekdami to, tyrėjai sukūrė crystal-solvate išankstinio sėjimo metodą, kuriame panaudojami specializuoti nanokristalai. Jie veikia kaip šablonai tolygesniam kristalų augimui ir tarsi „savaiminiam taisymuisi“ vykstant gamybos procesui.
Ši technika leidžia valdyti paslėptąją sandūrą ir atveria kelią gaminti aukštos kokybės, didelio ploto perovskitinius saulės modulius.
Efektyvumo didinimas
Techniniu požiūriu ši technika grindžiama specialiai suprojektuotų halogenidinių nanokristalų išankstiniu nusodinimu ant substratų, kurie apdorojami savaime susitvarkančiu monosloksniu (SAM).
Šios mažadimensės crystal-solvate „sėklos“ veikia kaip struktūriniai šablonai: jos „pririša“ vėliau formuojamą perovskitinį sluoksnį ir užtikrina labai tvarkingą kristalizaciją iš apačios į viršų.
Be to, strypo formos CSV nanokristalai atlieka dvigubą funkciją: jie pagerina hidrofobinių paviršių šlapinamiumą, kad danga pasiskirstytų tolygiai, ir sukuria tankius kristalizacijos centrus, kurie paspartina kristalų augimą.
Esminė naujovė – vadinamasis „gardelėje uždaryto tirpiklio atkaitinimo“ efektas (angl. lattice-confined solvent annealing).
Jo metu kaitinant lėtai išlaisvinamos gardelėje „įkalintos“ molekulės, kurios užgydo defektus ir iš naujo sutvarko kristalų grūdelius tiesiog apatinėje sandūroje.
Šis sinergetinis procesas užtikrina, kad perovskitinis sluoksnis ne tik greitai susiformuotų, bet ir būtų struktūriškai kokybiškesnis, be įprastai pasitaikančių sandūros tarpų.
„Sukūrėme integruotą metodą, kuris vienu metu sprendžia ir kristalizacijos valdymo, ir sandūros stabilizavimo uždavinius“, – teigia daktarė Sun Xiuhong, viena iš pirmųjų publikacijos autorių.
„Ši strategija leidžia pasiekti gerus rezultatus net ir paslėptosiose sandūrose, kurias ypač sunku tiksliai kontroliuoti“, – priduria ji.
Kol daugelis laboratorinių saulės elementų pasižymi puikiomis savybėmis tik nagų dydžio bandiniuose, tačiau praranda efektyvumą didinant plotą, naujasis metodas išlieka stabilus ir didesniu mastu.
Komandai pavyko pagaminti beveik 50 cm kraštinės ilgio mini modulį. Jis pasiekė 23,15 % naudingumo koeficientą.
Dar įspūdingiau tai, kad efektyvumo praradimas tarp mažo bandomojo elemento ir gerokai didesnio modulio buvo mažesnis nei 3 %. Tai didelis žingsnis į priekį masinei perovskitinių saulės kolektorių gamybai.
Ši technologija gali būti pritaikyta ne tik saulės elementams, bet ir naujų puslaidininkių bei šviesą skleidžiančių prietaisų kūrimui.
