“Molecular Tail” Meningkatkan Efisiensi dan Membuat Sel Surya Perovskit Secara Dramatis Lebih Andal Dari Waktu Ke Waktu

Para peneliti menggunakan “perekat molekuler” lapisan tunggal yang dirakit sendiri untuk mengeraskan antarmuka dalam sel surya perovskit agar lebih efisien, stabil, dan andal. Kredit: Laboratorium Padture / Universitas Brown

Sebuah tim peneliti di Brown University telah mengambil langkah besar untuk meningkatkan keandalan jangka panjang sel surya perovskit, teknologi energi bersih yang sedang berkembang. Dalam studi yang akan diterbitkan Jumat 7 Mei 2021 di jurnal Ilmu, tim tersebut mendemonstrasikan “lem molekuler” yang mempertahankan antarmuka kunci dalam sel agar terdegradasi. Perawatan ini secara dramatis meningkatkan stabilitas dan keandalan sel dari waktu ke waktu, sekaligus meningkatkan efisiensi yang mereka gunakan untuk mengubah sinar matahari menjadi listrik.

“Ada langkah besar dalam meningkatkan efisiensi konversi energi sel surya perovskit,” kata Nitin Padture, profesor teknik di Brown University dan penulis senior penelitian baru tersebut. “Namun rintangan terakhir yang harus dihilangkan sebelum teknologi dapat tersedia adalah keandalan – membuat sel yang mempertahankan kinerjanya dari waktu ke waktu. Itulah salah satu hal yang telah dikerjakan oleh tim peneliti saya, dan kami dengan senang hati melaporkan beberapa kemajuan penting”.

Perovskit adalah kelas material dengan struktur atom kristal tertentu. Lebih dari satu dekade yang lalu, para peneliti menunjukkan bahwa perovskit sangat baik dalam menyerap cahaya, yang memulai banyak penelitian baru tentang sel surya perovskit. Efisiensi sel ini meningkat pesat dan sekarang menyaingi sel silikon tradisional. Perbedaannya adalah bahwa penyerap cahaya perovskit dapat dibuat pada suhu lingkungan yang dekat, sedangkan silikon harus ditumbuhkan dengan cara melebur pada suhu mendekati 2.700 derajat. Fahrenheit. Film perovskit juga sekitar 400 kali lebih tipis dari wafer silikon. Proses manufaktur yang relatif mudah dan penggunaan bahan yang lebih sedikit berarti sel perovskit dapat dibuat dengan biaya yang lebih murah daripada sel silikon.

Sementara peningkatan efisiensi pada perovskit telah terlihat, kata Padture, membuat sel lebih stabil dan andal tetap menjadi tantangan. Sebagian dari masalah berkaitan dengan stratifikasi yang diperlukan untuk membuat sel berfungsi. Setiap sel mengandung lima atau lebih lapisan yang berbeda, masing-masing melakukan fungsi yang berbeda dalam proses menghasilkan listrik. Karena lapisan-lapisan ini terbuat dari bahan yang berbeda, mereka merespons gaya eksternal secara berbeda. Selain itu, perubahan suhu yang terjadi selama proses produksi dan selama servis dapat menyebabkan beberapa lapisan mengembang atau menyusut lebih dari yang lain. Itu menciptakan tekanan mekanis pada antarmuka lapisan yang dapat menyebabkan lapisan tersebut runtuh. Jika antarmuka terganggu, kinerja sel menurun.

Antarmuka yang paling lemah adalah antara film perovskit yang digunakan untuk menyerap cahaya dan lapisan transpor elektron, yang mempertahankan arus yang mengalir melalui sel.

“Sebuah rantai hanya sekuat tautan terlemahnya, dan kami telah mengidentifikasi antarmuka ini sebagai bagian terlemah dari keseluruhan tumpukan, di mana kemungkinan besar kegagalan,” kata Padture, yang mengepalai Institute for Molecular Innovation is Nanoscale in Brown. “Jika kami dapat memperkuatnya, maka kami dapat mulai membuat peningkatan nyata dalam keandalan.”

Untuk melakukan ini, Padture mengandalkan pengalamannya sebagai ilmuwan material, mengembangkan pelapis keramik canggih yang digunakan pada mesin pesawat dan aplikasi berkinerja tinggi lainnya. Dia dan rekan-rekannya mulai bereksperimen dengan senyawa yang dikenal sebagai lapisan tunggal tunggal atau SAM.

“Ini adalah kelas senyawa yang bagus,” kata Padture. “Ketika Anda mengendapkannya di permukaan, molekul-molekul itu bergabung dalam satu lapisan dan mengembang seperti rambut pendek. Menggunakan formulasi yang tepat, Anda dapat membentuk ikatan yang kuat antara senyawa ini dan semua jenis permukaan yang berbeda.”

Padture dan timnya menemukan formulasi SAM dengan silikon atom di satu sisi, dan atom yodium di sisi lain, mereka dapat membentuk ikatan yang kuat baik dengan lapisan transpor-elektro (yang biasanya terbuat dari oksida timah) dan dengan lapisan perovskit yang menyerap cahaya. Tim berharap bahwa ikatan yang dibentuk oleh molekul-molekul ini dapat memperkuat antarmuka lapisan tersebut. Dan mereka benar.

“Ketika kami memperkenalkan SAM di antarmuka, kami menemukan bahwa hal itu meningkatkan kekerasan fraktur antarmuka sekitar 50%, yang berarti bahwa setiap retakan yang terbentuk di antarmuka cenderung tidak menyebar terlalu jauh.”, Kata Padture. “Jadi efeknya, SAM menjadi semacam perekat molekuler yang menyatukan dua lapisan.”

Menguji fungsi sel surya telah menunjukkan bahwa SAM telah secara dramatis meningkatkan kehidupan fungsional sel perovskit. Sel yang tidak disiapkan SAM untuk penelitian mempertahankan 80% dari efisiensi awal mereka selama kurang lebih 700 jam pengujian laboratorium. Sedangkan sel SAM masih kuat setelah 1.330 jam pengujian. Berdasarkan eksperimen ini, para peneliti memproyeksikan bahwa umur efisiensi yang dipertahankan 80% akan menjadi sekitar 4.000 jam.

“Salah satu hal lain yang kami lakukan, yang tidak dilakukan orang secara normal, adalah kami membuka sel setelah tes,” kata Zhenghong Dai, Dr. Brown dan penulis pertama penelitian tersebut. “Di sel kontrol tanpa SAM, kami melihat semua jenis kerusakan seperti celah dan retakan. Tetapi dengan SAM, antarmuka yang diperkeras terlihat sangat bagus. Itu adalah peningkatan dramatis yang benar-benar mengejutkan kami. “

Yang penting, kata Padture, peningkatan kekerasan tidak mengorbankan efisiensi konversi daya. Faktanya, SAM telah meningkatkan efisiensi sel dalam jumlah kecil. Ini karena SAM menghilangkan cacat molekul kecil yang terbentuk ketika dua lapisan bergabung tanpa adanya SAM.

“Aturan pertama untuk meningkatkan integritas mekanis perangkat fungsional adalah dengan ‘tidak menyakitinya,'” kata Padture. “Jadi kami dapat meningkatkan keandalan tanpa kehilangan efisiensi – dan bahkan meningkatkan efisiensi – ini adalah kejutan yang indah.”

SAM itu sendiri dibuat dari senyawa yang tersedia dan mudah diaplikasikan dengan proses pelapisan celup pada suhu kamar. Jadi penambahan SAM dapat menambah sedikit biaya produksi, kata Padture.

Peneliti berencana untuk membangun kesuksesan ini. Sekarang setelah mereka memperkuat tautan terlemah dalam tumpukan sel surya perovskit, mereka ingin beralih ke yang terlemah berikutnya, lalu berikutnya dan seterusnya sampai mereka telah memperkuat seluruh tumpukan. Pekerjaan itu akan melibatkan penguatan tidak hanya antarmuka, tetapi juga lapisan material itu sendiri. Baru-baru ini, kelompok penelitian Padture memenangkan hibah $ 1,5 juta dari Departemen Energi AS untuk memperluas penelitiannya.

“Ini adalah jenis penelitian yang diperlukan untuk membuat sel yang ekonomis, efisien, dan berperilaku baik selama beberapa dekade,” kata Padture.

Referensi: 7 Mei 2021, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abf5602

Srinivas K. Yadavalli, Min Chen, Ali Abbaspourtamijani dan Yue Qi adalah rekan penulis penelitian, yang didanai oleh Naval Research Office (N00014-17-1-2232 dan N00014-20-1-2574) dan National Science Foundation (1538893 dan 2002158).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.