Μια επίπεδη σημαντική πρόοδος για μια αναδυόμενη τεχνολογία ηλιακών κυψελών

Ένα πολλά υποσχόμενο υλικό ηλιακών κυψελών μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο με τις φθηνότερες συσκευές πυριτίου, χωρίς να θυσιάζεται η απόδοση παραγωγής ενέργειας. Η προκαταβολή ενισχύει τις πιθανότητες να υιοθετηθεί το φθηνό υλικό από την υπάρχουσα βιομηχανία.

Ένα ηλιακό στοιχείο μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα τυπικό στοιχείο περιέχει στρώματα υλικών που είναι γνωστά ως ημιαγωγοί - πιο συχνά πυρίτιο. Όταν ένα σωματίδιο φωτός, ή ένα φωτόνιο, χτυπήσει ένα άτομο σε έναν από αυτούς τους ημιαγωγούς, απελευθερώνει ένα αρνητικό ηλεκτρόνιο που μπορεί να περάσει μέσα από το υλικό και αφήνει πίσω του μια θετικά φορτισμένη «τρύπα» που μπορεί επίσης να κινηθεί. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές ταξιδεύουν σε αντίθετες κατευθύνσεις, μέσα από στρώματα ημιαγωγών με διαφορετικές ιδιότητες, για να δημιουργήσουν μια ροή ρεύματος.

Ακούγεται αρκετά εύκολο, ωστόσο τα περισσότερα ηλιακά κύτταρα, τα οποία βασίζονται σε φθηνά κατασκευασμένο πυρίτιο, δεν μπορούν να μετατρέψουν πολύ περισσότερο από το 10% του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Αν και άλλοι ημιαγωγοί, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου, μπορούν να φτάσουν την απόδοση πάνω από 30%, είναι απαγορευτικά ακριβοί για όλες εκτός από τις πιο απαιτητικές εφαρμογές, όπως δορυφόρους τροφοδοσίας.

Μια φθηνότερη εναλλακτική μπορεί να είναι υλικά γνωστά ως περοβσκίτες, ενώσεις όπως το οξείδιο του ασβεστίου τιτανίου στα οποία τα άτομα διατάσσονται σε ένα συγκεκριμένο μείγμα σχημάτων κύβου και διαμαντιών. Οι περοβσκίτες μπορούν εύκολα να ρυθμιστούν ώστε να απορροφούν το ηλιακό φως. Στην πραγματικότητα, ο πρώτος ρόλος του περοβσκίτη σε ένα ηλιακό κύτταρο το 2009 ήταν να απορροφά φωτόνια και όχι περισσότερα. Παρακείμενοι ημιαγωγοί χώριζαν τα απελευθερωμένα ηλεκτρόνια και τις οπές.

Αυτό συμβαίνει επειδή οι φυσικοί υπέθεσαν ότι τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες που απελευθερώνονταν μέσα στον περοβσκίτη δεν θα ταξίδευαν πολύ μακριά. Στην πραγματικότητα, για να βεβαιωθούν ότι αυτά τα φορτία έφτασαν στους παρακείμενους ημιαγωγούς, οι φυσικοί ανακάτεψαν όλα τα συστατικά σε μια πολύπλοκη νανοδομή—στην οποία μικροσκοπικές, διασυνδεδεμένες φυσαλίδες ημιαγωγών επικαλύφθηκαν με ένα λεπτό στρώμα περοβσκίτη και στη συνέχεια ένα παχύτερο στρώμα από περισσότερα ημιαγωγός.

Πέρυσι σημειώθηκε μια σημαντική ανακάλυψη για τα κύτταρα περοβσκίτη, ωστόσο, όταν ο φυσικός Henry Snaith στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι οι συσκευές λειτουργούσαν πραγματικά καλύτερα εάν αντικαθιστούσαν τις ημιαγώγιμες φυσαλίδες με ένα μονωτικό ικρίωμα. Ο περοβσκίτης, όπως αποδείχθηκε, ήταν ένας αρκετά καλός ημιαγωγός και μπορούσε να μετατοπίσει τα ηλεκτρόνια αποτελεσματικά από μόνος του.

Τώρα, ο Snaith και οι συνεργάτες του επιφύλαξαν μια άλλη έκπληξη:Η νανοδομή που μοιάζει με φυσαλίδες είναι εντελώς άσχετη. Η ομάδα της Οξφόρδης έχει αποδείξει ότι οι κυψέλες περοβσκίτη είναι εξίσου αποτελεσματικές εάν κατασκευάζονται με τον ίδιο επίπεδο σχεδιασμό και χρησιμοποιούν την ίδια μέθοδο - γνωστή ως εναπόθεση ατμού - με τις φθηνές κυψέλες πυριτίου λεπτής μεμβράνης. «Έχοντας ξεκινήσει με μια περίπλοκη νανοδομή, τη μειώσαμε σε μια λεπτή μεμβράνη», λέει ο Snaith. "Είναι διασκεδαστικό, συμφωνώ!"

Επιπλέον, η απλή κυψέλη με στρώματα μετατρέπει περισσότερο από το 15% του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια—ίσο με το ρεκόρ για τις κυψέλες περοβσκίτη, που σημειώθηκε μόλις πριν από 2 μήνες για μια συσκευή νανοδομής—όπως αναφέρουν σήμερα οι ερευνητές στο Nature . Αν οι φυσικοί γνώριζαν ότι ο περοβσκίτης ήταν καλός ημιαγωγός, πιθανότατα θα είχαν ξεκινήσει με ένα κανονικό κύτταρο λεπτής μεμβράνης, λέει ο Snaith. Οι κυψέλες περοβσκίτη έχουν τώρα περισσότερες πιθανότητες να βγουν στην κύρια αγορά—πιθανώς για μόλις 0,15 $ ανά watt, ή το ένα τέταρτο της τιμής των συσκευών πυριτίου λεπτής μεμβράνης, λέει ο Snaith.

«Το χαρτί του Henry είναι σίγουρα ένα σημαντικό έργο», λέει ο Michael Grätzel, φυσικός στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Λωζάνη και μέλος της ομάδας που σημείωσε το ρεκόρ αποτελεσματικότητας στον περοβσκίτη. Ωστόσο, ο David Carroll, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Wake Forest στο Winston-Salem της Βόρειας Καρολίνας, σημειώνει ότι ορισμένοι περοβσκίτες έχει αποδειχθεί ότι αποικοδομούνται κατά τη συνεχιζόμενη έκθεση στο υπεριώδες φως του ήλιου. Επίσης, τα υλικά πρέπει να αποδεικνύονται ως μη τοξικά όταν υποβάλλονται σε βιομηχανική επεξεργασία, λέει. Ωστόσο, λέει ο Carroll, "αυτό θα ωθήσει πολλές ερευνητικές ομάδες να αρχίσουν να εξετάζουν πιο προσεκτικά τα συστήματα [perovskite]."