Tyrėjai iš Kinijos Čingdao bioenergijos ir bioperdirbimo technologijų instituto (QIBEBT) patobulino invertuotųjų perovskitinių saulės elementų veikimą.
Savo darbe jie pristatė naują būdą stabilizuoti vadinamąją „paslėptąją sandūrą“ – mikroskopinį sluoksnį giliai invertuotojo perovskitinio saulės elemento viduje, kuriame dažniausiai nukenčia ir efektyvumas, ir ilgaamžiškumas.
Šį sluoksnį ypač sunku kontroliuoti, nes jis ribojasi ir su perovskitiniu sluoksniu, ir su skylučių pernašos sluoksniu. Dėl to invertuotieji perovskitiniai elementai neretai turi elektroninių defektų bei netolygų kristalinės struktūros susiformavimą pačiame apatiniame, tarsi „pamatiniame“, sluoksnyje.
QIBEBT komandai pavyko rasti būdą, kaip suvaldyti šią probleminę sandūrą: mokslininkai pasiūlė „crystal-solvate“ (CSV) išankstinio sėjimo metodą.
Šios technikos esmė ta, kad ji nukreipia kristalų augimą iš apačios į viršų, todėl susidaro artimi idealui energiją surenkantys plėveliniai sluoksniai.
Išankstinio sėjimo metodas
Invertuotieji perovskitiniai saulės elementai dažnai laikomi savotišku „jaunesniuoju broliu“ palyginti su tradicinėmis saulės elementų technologijomis. Juos paprasčiau gaminti didesniais kiekiais, be to, jie turi didelį galios didinimo potencialą.
Vis dėlto pagrindinis iššūkis išlieka apatiniame sluoksnyje, kur perovskitas liečiasi su substratu arba skylučių pernašos sluoksniu.
Elektroniniai defektai ir mikroskopinės ertmės šioje paslėptojoje sandūroje lėtina krūvininkų judėjimą ir skatina ankstyvą elemento degradaciją.
QIBEBT komanda, vadovaujama profesoriaus Pang Shuping ir daktarės Sun Xiuhong, nusprendė iš esmės pertvarkyti šį „pamatinį“ sluoksnį.
Tam jie sukūrė CSV išankstinio sėjimo metodą, kuriame naudojami specializuoti nanokristalai. Jie veikia kaip šablonai tolygesniam kristalų augimui ir padeda plėvelei tarsi „savaime taisytis“ gamybos proceso metu.
Pasak tyrėjų, ši technika leidžia tiksliau valdyti paslėptąją sandūrą ir atveria kelią gaminti aukštos kokybės, didelio ploto perovskitinius saulės modulius.
Efektyvumo didinimas
Techniniu požiūriu metodas pagrįstas specialiai suprojektuotų halogenidinių nanokristalų išankstiniu nusodinimu ant substratų, apdorotų savaime susitvarkančiu monosloksniu (SAM).
Šios mažadimensės CSV „sėklos“ veikia kaip struktūriniai šablonai: jos „pririša“ vėliau formuojamą perovskitinį sluoksnį ir užtikrina tvarkingą kristalizaciją, vykstančią iš apačios į viršų.
Be to, strypo formos CSV nanokristalai atlieka dvi svarbias funkcijas: pagerina hidrofobinių paviršių šlapinamumą, kad danga pasiskirstytų tolygiai, ir sukuria tankius kristalizacijos centrus, kurie paspartina kristalų augimą.
Esminė naujovė – vadinamasis „gardelėje uždaryto tirpiklio atkaitinimo“ efektas (lattice-confined solvent annealing). Kaitinant lėtai išlaisvinamos kristalinėje gardelėje „įkalintos“ molekulės, kurios padeda užgydyti defektus ir iš naujo sutvarko kristalų grūdelius būtent apatinėje sandūroje.
Šis sinergetinis procesas užtikrina, kad perovskitinis sluoksnis ne tik greitai susiformuotų, bet ir būtų struktūriškai kokybiškesnis, be įprastai pasitaikančių tarpų sandūroje.
„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.
Vienas svarbiausių pasiekimų – metodo stabilumas didinant gaminio plotą. Dažnai laboratoriniai saulės elementai pasižymi puikiomis savybėmis tik mažo, maždaug nago dydžio, bandiniuose, tačiau plečiant plotą efektyvumas pastebimai krinta. Šiuo atveju rezultatai išliko geri ir didesniu mastu.
Komandai pavyko pagaminti mini modulį, kurio kraštinė siekė beveik 50 cm. Jis pasiekė 23,15 % naudingumo koeficientą.
Dar svarbiau, kad efektyvumo skirtumas tarp mažo bandomojo elemento ir gerokai didesnio modulio buvo mažesnis nei 3 %. Tai reikšmingas žingsnis masinės perovskitinių saulės modulių gamybos link.
Tyrėjai taip pat pabrėžia, kad ši technologija gali būti pritaikyta ne tik saulės elementams, bet ir kuriant naujus puslaidininkinius bei šviesą skleidžiančius įrenginius.
