В связи с высокими экологическими издержками традиционных источников энергии и ограниченными запасами ископаемого топлива важность возобновляемых источников энергии в последние годы стала гораздо более очевидной. Однако эффективное использование солнечной энергии для использования человеком было сложной задачей. Хотя солнечные элементы на основе кремния могут использоваться для улавливания энергии солнечного света, их производство в промышленных масштабах обходится дорого. Исследования отдела энергетических материалов и наук о поверхности Окинавского института науки и технологий (OIST) под руководством проф. Ябин Ци сосредоточился на использовании металлоорганических галогенидных перовскитных пленок в солнечных элементах. Эти перовскитные пленки представляют собой высококристаллические материалы, которые могут быть образованы большим количеством различных химических комбинаций и могут быть нанесены с низкими затратами. Недавние публикации из лаборатории профессора Ци охватывают три различные области инноваций в исследованиях перовскитных пленок: новую обработку после отжига для повышения эффективности и стабильности перовскита, открытие продуктов разложения определенного перовскита и новый способ производства перовскитов, который поддерживает солнечная эффективность при увеличении.
Чтобы быть полезными в качестве солнечных элементов, перовскитные пленки должны быть в состоянии собирать солнечную энергию с высокой эффективностью, что является рентабельным, быть относительно простым в производстве и быть способным противостоять внешней среде в течение длительного времени. промежуток времени. Доктор Ян Цзян из лаборатории профессора Ци недавно опубликовал исследование в Materials Horizons, которое может помочь увеличить солнечную эффективность металлоорганического галогенида перовскита MAPbI3Он обнаружил, что использование раствора метиламина во время последующего отжига привело к уменьшению проблем, связанных с границами зерен. Границы зерен проявляются в виде зазоров между кристаллическими доменами и могут приводить к нежелательной рекомбинации зарядов. Это обычное явление для перовскитных пленок и может снизить их эффективность, что делает решение проблем с границами зерен необходимым для поддержания высокой производительности устройства. Новая технология обработки после отжига доктора Цзяна позволила получить солнечные элементы с расплавленными границами зерен, уменьшенной рекомбинацией зарядов и продемонстрировавшей выдающуюся эффективность преобразования 18,4%. Его обработанные перовскитные пленки также продемонстрировали исключительную стабильность и воспроизводимость, что сделало его метод полезным для промышленного производства солнечных элементов.
Одним из самых больших недостатков использования перовскитов по сравнению с кремнием в солнечных элементах является их относительно короткий срок службы. Чтобы создать солнечный элемент, способный выдерживать воздействие внешней среды в течение длительного периода времени, крайне важно определить основные продукты разложения перовскита. Предыдущие исследования пленок перовскита MAPbI3 привели к выводу, что газообразными продуктами термической деструкции этого материала являются метиламины (CH3NH 2) и йодистый водород (HI). Тем не менее, интересное новое исследование доктора Эмилио Х. Хуареса-Переса, также проводившееся в лаборатории профессора Ци, опубликованное в журнале Energy & Environmental Science, показывает, что основными газообразными продуктами разложения являются метилиодид (CH3 I) и аммиак (NH3). Доктор Хуарес-Перес использовал комбинацию термогравиметрического дифференциального термического анализа (ТГ-ДТА) и масс-спектрометрии (МС), чтобы правильно определить как потерю массы, так и химическую природу этих продуктов. Поскольку продукты разложения теперь правильно идентифицированы, исследователи могут искать способы предотвратить деградацию материала, что приведет к получению более стабильных материалов для использования в будущем.
Распространенной проблемой академических исследований часто является невозможность масштабировать эксперименты для использования в промышленности. В то время как пленки из перовскита можно относительно легко изготовить в небольших масштабах в лаборатории, их может быть трудно воспроизвести в больших масштабах, необходимых для массового производства. Новое исследование доктора Мэтью Лейдена в Journal of Materials Chemistry A может значительно упростить промышленное производство перовскитов. В его работе используется химическое осаждение из паровой фазы, экономичный процесс, обычно используемый в промышленности, для создания больших солнечных элементов и модулей из перовскитов FAPbI3. Это одна из первых демонстраций солнечных элементов и модулей из перовскита, изготовленных методом, широко используемым в промышленности, что делает более возможным массовое производство перовскитных пленок. Производимые солнечные элементы и модули значительно больше, например, 12 см2, чем те, которые обычно изучаются в академических кругах, обычно <0,3 см2 Эти солнечные модули демонстрируют повышенную термическую стабильность и относительно высокую эффективность, что впечатляет, поскольку многие перовскитные солнечные элементы резко теряют эффективность по мере их увеличения, что делает этот тип исследований полезным для коммерческих целей..
Исследования, проведенные исследовательским отделом профессора Ци, на один шаг приблизили перовскитные солнечные элементы к массовому производству, предоставив решения проблем эффективности, срока службы и масштабируемости. В преддверии новых захватывающих исследований подразделение воплощает в реальность мечту об использовании рентабельных возобновляемых источников энергии.