Az Egyesült Királyságban dolgozó tudósok a perovszkit napelemcella szerkezetében mélyedtek el, a perovszkitréteget felépítő anyagok között fennálló bonyolult kapcsolat, továbbá a teljesítményt részben korlátozó, részben fokozó különböző hibák szerepének megértésének céljával. Megállapításaik új perovszkit anyagok kialakítását tehetik lehetővé, amelyeknek szerkezete kifejezetten a napelem teljesítményének maximalizálását célozza.
A perovszkit napelemcella működésének művészi megjelenítése
Kép: Alex T. at Ella Maru Studio
Bár a tudósok a perovszkit anyagok felhasználásával képesek voltak gyorsan eljutni a kiváló hatékonyságú napelemcellákig, nem teljesen tisztázottak az ezt lehetővé tevő mechanizmusok, és a mostanáig lefolytatott kutatások azt mutatják, hogy ami az anyag belsejében zajlik, az jelentős mértékben eltér a kristályos szilícium és más napelemcellák előállításához felhasznált egyéb szokásos anyagok folyamataitól.
Mivel a perovszkitból készült filmeket rendszerint több külön elem alkotja, ez rendezetlen szerkezetet eredményez és egy sor különböző hibát. Ennek a szerkezetnek a különböző elemeiről sikerült kimutatni, hogy a hatékonyságot részben elősegítik, részben visszafogják a napelemcella hatékonyságát és stabilitását, és az ok megértése lehetővé teheti, hogy a tudósok oly módon alakítsák az anyagokat, hogy több legyen benne a „jó” és kevesebb a „rossz”.
Többmódusú mikroszkópia
Ez volt a céljuk az Egyesült Királyság Cambridge-i Egyetemének irányítása alatt dolgozó tudósoknak, akik egy sor különböző képalkotó technikát alkalmaztak, hogy teljes, nano-léptékű képet nyerjenek a perovszkitról. „Az látható, hogy egymással párhuzamosan a rendellenesség két különböző formája áll fenn” – magyarázza a PhD hallgató Kyle Frohna, „a teljesítmény csökkenésével összekapcsolható elektronikus rendellenességeket, és a térbeli kémiai rendellenességeket, amelyek javítani látszanak azt.”
Különböző technikákat alkalmaztak az anyag viselkedéséről alkotott teljesebb kép megrajzolása érdekében, ezek egyenként vették górcső alá a perovszkit kémiai, szerkezeti és optoelektronikai tulajdonságait, még az Egyesült királyság diamond szinkrotron fényforrás létesítményét is felkeresték. „Az az elképzelés, hogy egy bizonyos többmódusú mikroszkópiát alkalmazunk, ami fellengzős megnevezése annak, hogy a minta ugyanazon területét többféle különböző mikroszkóppal vizsgáljuk meg, és alapvetően próbálunk összefüggést keresni az egyik, illetve a másik révén felfedezett jellemzők között. „Ezek a kísérletek időigényesek és jelentős erőforrásokat kötnek le, de a kinyerhető információt tekintve kiváló eredményekhez juthatunk.”
Megállapításaikat a Nature Nanotechnology című folyóiratban tették közzé „Nano nagyságrendű kémiai heterogenitás dominálja az ötvözött perovszkit napelemcellák optoelektronikai válaszát” (Nanoscale chemical heterogeneity dominates the optoelectronic response of alloyed perovskite solar cells) címmel. Az eredmények azt mutatják, hogy a szerkezet gradiensei a cella olyan területeire nyomják a töltéseket, ahol kevesebb elektromos rendellenesség található, és távol a teljesítményt csökkentő „csapdáktól”. „Azt találtuk, hogy a kémiai rendellenesség – ebben az esetben a „jó” rendellenesség – csökkenti a „rossz” rendellenességek hatásait, tölcsérszerűen elvezetik azokat a töltéshordozókat, amelyek egyébként csapdába eshetnének” – jelezte Frohna.
Ennek megértése révén a csoport képessé válik olyan módszerek kidolgozására, amelyek segítik az egyik hatásának enyhítését a pozitív hatások elvesztése nélkül. „A megjelenítések segítségével sokkal alaposabban érthetjük meg a félvezetők lenyűgöző nano-nagyságrendű világát – a jót, a rosszat és a csúf részt is” – vélte Sam Stranks, a Cambridge-i Egyetem helyettes professzora. „Ezek az eredmények megmagyarázzák, hogy a vegyes összetételű perovszkitok esetében az anyagok empirikus optimalizálása révén hogyan érhettek el ilyen magas teljesítményeket. De ez felfedte új, hasonló jellemzőkkel bíró félvezetők kialakításának tervrajzait is – ahol a rendellenesség kiaknázható a teljesítmény alakítására.”
Kapcsolódó témájú cikkeink:
A perovszkit alacsony hőmérsékleten tárolása megelőzheti a degradációt
Tanulmány a perovszkit napelem cellák új útjáról
