Konsep Baru Meningkatkan Efisiensi Sel Surya Perovskite Generasi Berikutnya

Di

Gambar ini menunjukkan latar belakang fotovoltaik perovskit dengan kristal perovskit individu yang ditampilkan sebagai unit berwarna. Kredit: Grafik CUBE3D

Mengurangi kerugian internal dapat membuka jalan bagi fotovoltaik berbasis perovskit berbiaya rendah yang sesuai dengan produksi sel silikon.

Perovskit adalah kandidat utama untuk akhirnya menggantikan silikon sebagai bahan pilihan untuk panel surya. Mereka menawarkan potensi untuk pembuatan sel ultra-tipis dan fleksibel ringan dengan biaya rendah dan suhu rendah, tetapi sejauh ini efisiensi mereka dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik telah tertinggal dari silikon dan beberapa alternatif lainnya.

Sekarang, pendekatan baru pada desain sel perovskit telah mendorong material agar sesuai atau melebihi efisiensi sel silikon tipikal saat ini, yang umumnya berkisar dari 20 hingga 22 persen, meletakkan dasar untuk peningkatan lebih lanjut.

Dengan menambahkan lapisan konduktif timah dioksida yang direkatkan yang diperlakukan secara khusus ke bahan perovskit, yang menyediakan jalur yang lebih baik untuk pengangkut muatan di dalam sel, dan dengan memodifikasi rumus perovskit, para peneliti meningkatkan efisiensi keseluruhan mereka sebagai sel surya. 25,2 persen – a catatan dekat untuk bahan semacam itu, yang melampaui efisiensi banyak panel surya yang ada. (Perovskites masih memiliki umur panjang yang signifikan dibandingkan dengan silikon, namun, tantangan telah dihadapi oleh tim di seluruh dunia.)

Hasilnya dijelaskan dalam sebuah artikel di jurnal Alam dari baru-baru ini Dengan Lulusan Jason Yoo PhD ’20, profesor kimia dan Profesor Lester Wolfe Moungi Bawendi, profesor teknik listrik dan komputer, dan Profesor Teknologi Muncul Fariborz Maseeh Vladimir Bulović, serta 11 lainnya di MIT, Korea Selatan, dan Georgia.

Perovskit adalah kelas bahan yang luas yang ditentukan oleh fakta bahwa mereka memiliki jenis susunan molekul tertentu, atau kisi, yang menyerupai susunan mineral alami perovskit. Ada sejumlah kemungkinan kombinasi kimiawi yang dapat membuat perovskit, dan Yoo menjelaskan bahwa bahan-bahan ini telah menarik minat dunia karena “setidaknya di atas kertas, mereka dapat dibuat jauh lebih mahal daripada silikon atau galium arsenida,” salah satu pesaing utama lainnya. . Hal ini sebagian disebabkan oleh transformasi dan proses manufaktur yang jauh lebih sederhana, yang untuk silikon atau galium arsenida membutuhkan panas yang berkelanjutan lebih dari 1000 derajat. Celsius. Sebaliknya, perovskit dapat diolah pada suhu kurang dari 200 C, baik dalam larutan maupun dengan deposisi uap.

Keuntungan utama lainnya dari perovskit dibandingkan silikon atau banyak calon pengganti lainnya adalah bahwa ia membentuk lapisan yang sangat tipis sambil secara efisien menangkap energi matahari. “Sel perovskit berpotensi lebih ringan dibandingkan silikon, dalam urutan besarnya,” kata Bawendi.

Perovskit memiliki celah pita yang lebih tinggi daripada silikon, yang berarti mereka menyerap bagian spektrum cahaya yang berbeda dan dengan demikian dapat melengkapi sel silikon untuk memberikan efisiensi gabungan yang lebih banyak. Tetapi bahkan hanya dengan menggunakan perovskit, Yoo mengatakan, “apa yang kami tunjukkan adalah bahwa bahkan dengan satu lapisan aktif, kami dapat membuat efisiensi yang mengancam silikon, dan mudah-mudahan mereka berada pada jarak perforasi dari galium arsenida. Kedua teknologi tersebut telah ada lebih lama lagi. dari perovskites. “

Salah satu kunci untuk meningkatkan efisiensi material tim, jelas Bawendi, adalah rekayasa lapisan sandwich yang membentuk sel surya perovskit – lapisan transpor elektron. Perovskit itu sendiri dilapisi dengan lapisan konduktif transparan yang digunakan untuk mengangkut arus listrik dari sel ke tempat yang dapat digunakan. Namun, jika lapisan konduktif terikat langsung ke perovskit itu sendiri, elektron dan rekan-rekannya, yang disebut lubang, bergabung kembali di tempatnya dan tidak ada aliran arus. Dalam pandangan para peneliti, perovskit dan lapisan konduktif dipisahkan oleh jenis lapisan perantara yang lebih baik yang dapat membiarkan elektron melewati mencegah rekombinasi.

Lapisan transpor elektron menengah ini, dan terutama antarmuka di mana ia terhubung ke lapisan di setiap sisi, cenderung menjadi tempat terjadinya inefisiensi. Dengan mempelajari mekanisme ini dan merancang lapisan, yang terdiri dari oksida timah, yang lebih pas dengan lapisan yang berdekatan, para peneliti dapat mengurangi kerugian secara signifikan.

Metode yang mereka gunakan disebut pengendapan kimiawi di kamar mandi. “Ini seperti memasak perlahan di Crock-Pot,” kata Bawendi. Dengan mandi pada suhu 90 derajat Celcius, bahan kimia prekursor perlahan-lahan terurai membentuk lapisan timah dioksida di tempatnya. “Tim memahami bahwa jika kita memahami mekanisme dekomposisi prekursor ini, maka kita akan memiliki pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana film ini terbentuk. Kami dapat menemukan jendela yang tepat di mana lapisan transpor elektron dengan properti. Ideal dapat disintesiskan. “.

Setelah serangkaian percobaan terkontrol, mereka menemukan bahwa campuran senyawa antara yang berbeda terbentuk, tergantung pada keasaman larutan prekursor. Mereka juga mengidentifikasi sweet spot dari komposisi prekursor yang memungkinkan reaksi menghasilkan film yang jauh lebih efektif.

Para peneliti menggabungkan langkah-langkah ini dengan pengoptimalan lapisan perovskit itu sendiri. Mereka menggunakan satu set aditif pada resep perovskit untuk meningkatkan stabilitasnya, yang telah diuji sebelumnya, tetapi memiliki efek yang tidak diinginkan pada pita bahan, membuatnya menjadi penyerap cahaya yang kurang efisien. Tim menemukan bahwa menambahkan jumlah yang jauh lebih kecil dari aditif ini – kurang dari 1 persen – juga dapat mencapai efek menguntungkan tanpa mengubah celah pita.

Peningkatan efisiensi yang dihasilkan telah membawa material tersebut ke lebih dari 80 persen efisiensi teoritis maksimum yang bisa dimiliki material semacam itu, kata Yoo.

Sementara efisiensi tinggi ini telah dibuktikan dalam perangkat skala laboratorium kecil, Bawendi mengatakan bahwa “jenis intuisi yang kami berikan dalam makalah ini, dan beberapa trik yang kami berikan, dapat diterapkan pada metode yang sekarang dikembangkan orang untuk skala besar- mengukur, memproduksi sel perovskit, dan dengan demikian meningkatkan efisiensi tersebut. “

Dalam penelitian lebih lanjut, ada dua jalur penting, katanya: terus mendorong batas untuk efisiensi yang lebih baik, dan fokus pada peningkatan stabilitas material jangka panjang, yang saat ini diukur dalam beberapa bulan, dibandingkan dengan puluhan tahun untuk sel silikon. Tetapi untuk beberapa tujuan, Bawendi menunjukkan, umur panjang mungkin tidak terlalu penting. Banyak perangkat elektronik seperti telepon seluler, misalnya, cenderung diganti dalam beberapa tahun, jadi mungkin ada beberapa aplikasi yang berguna bahkan untuk sel surya yang relatif pendek.

“Saya tidak berpikir itu bahkan ada dengan sel-sel ini, bahkan untuk aplikasi jangka pendek semacam ini,” katanya. “Tetapi orang-orang mendekatinya, kemudian, dengan menggabungkan ide-ide kami dalam makalah ini dengan ide-ide yang dimiliki orang lain dengan peningkatan stabilitas dapat menghasilkan sesuatu yang sangat menarik.”

Robert Hoye, pengajar materi untuk Imperial College London, yang bukan bagian dari penelitian ini, berkata: “Ini adalah pekerjaan yang sangat baik oleh tim internasional.” Dia menambahkan, “Ini dapat menghasilkan reproduktifitas yang lebih besar dan efisiensi luar biasa dari perangkat yang dicapai di laboratorium penerjemahan menjadi modul yang dikomersialkan. Dalam hal pencapaian ilmiah, mereka tidak hanya mencapai efisiensi yang merupakan catatan bersertifikat untuk sel surya. Dari perovskite. untuk sebagian besar tahun lalu, mereka juga mendapatkan tegangan sirkuit terbuka hingga 97 persen dari batas radiasi. Ini adalah kesuksesan besar untuk sel surya yang dikembangkan dari larutan. “

Referensi: “Sel surya perovskit yang efisien melalui manajemen operator yang lebih baik” oleh Jason J. Yoo, Gabkyung Seo, Matthew R. Chua, Taman Tae Gwan, Yongli Lu, Fabian Rotermund, Young-Ki Kim, Chan Su Moon, Nam Joong Jeon, Juan -Pablo Correa-Baena, Vladimir Bulović, Seong Sik Shin, Moungi G. Bawendi dan Jangwon Seo, 24 Februari 2021, Alam.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03285-w

Tim tersebut termasuk para peneliti di Institut Riset Kimia Teknologi Kimia, Institut Sains dan Teknologi Lanjutan Korea, Institut Sains dan Teknologi Nasional Ulsan, dan Georgia Tech. Pekerjaan itu didukung oleh MIT Soldier Nanotechnology Institute, NASA, perusahaan Italia Eni SpA melalui MIT Energy Initiative, National Research Foundation of Korea, dan National Research Council of Science and Technology.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ada lebih banyak genetika daripada DNA

Ahli biologi di Inggris dan Austria telah mengidentifikasi 71 gen baru pada tikus. Ahli biologi di Universitas Bath dan Wina telah menemukan 71 gen baru...

Untuk mencegah kelaparan, adaptasi iklim membutuhkan miliaran investasi tahunan tambahan

Investasi dalam penelitian pertanian, pengelolaan air, infrastruktur dapat mencegah pertumbuhan kelaparan yang disebabkan oleh iklim. Untuk mencegah dampak perubahan iklim pada tahun 2050, yang memaksa...

Teknologi Ultra Tipis Canggih untuk Merevolusi Penglihatan Malam – “Kami Membuat Yang Tak Terlihat Terlihat”

Dr. Rocio Camacho Morales mengatakan para peneliti membuatnya "tidak terlihat, terlihat." Kredit: Jamie Kidston, Universitas Nasional Australia Biar ringan! Film ultra-tipis suatu hari...

Maju dalam dekomposisi CO2 dengan efisiensi tinggi

ARA. 1: Metode sintesis fotokatalis tiga komponen baru. Sebuah nanotube karbon enkapsulasi molekul yodium direndam dalam larutan perak nitrat (AgNO3) berair untuk menghasilkan...

Satelit Terkemuka di Lautan – Copernicus Sentinel-6 – Hidup!

Copernicus Sentinel-6 menggunakan mode inovatif yang diselingi dengan altimeter radar frekuensi ganda Poseidon-4 (C- dan Ku-band), yang telah meningkatkan kinerja dibandingkan dengan desain altimeter...

Newsletter

Subscribe to stay updated.