Μία καινοτόμο μέθοδο για την κατασκευή των νέων ηλιακών κυττάρων, των κυψελών περοβσκίτη, ανακάλυψαν ερευνητές του CU Boulder και οι διεθνείς συνεργάτες τους. Πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα προς την εμπορευματοποίηση αυτού που πολλοί θεωρούν την επόμενη γενιά της ηλιακής τεχνολογίας.
Σήμερα, σχεδόν όλα τα ηλιακά πάνελ είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο, το οποίο διαθέτει απόδοση 22%. Αυτό σημαίνει ότι τα πάνελ πυριτίου μπορούν να μετατρέψουν μόνο περίπου το ένα πέμπτο της ενέργειας του ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια, επειδή το υλικό απορροφά μόνο ένα περιορισμένο ποσοστό των μηκών κύματος του ηλιακού φωτός. Η παραγωγή πυριτίου είναι επίσης δαπανηρή και ενεργοβόρα.
Οι περοβσκίτες όμως μπορούν να κάνουν τη διαφορά .Το συνθετικό ημιαγώγιμο υλικό έχει τη δυνατότητα να μετατρέψει σημαντικά περισσότερη ηλιακή ενέργεια από το πυρίτιο με χαμηλότερο κόστος παραγωγής. «Οι περοβσκίτες μπορεί να αλλάξουν το παιχνίδι», δήλωσε ο Michael McGehee, καθηγητής στο Τμήμα Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής και συνεργάτης του Ινστιτούτου Ανανεώσιμων Πηγών & Αειφόρου Ενέργειας του CU Boulder.
Οι επιστήμονες δοκίμασαν ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη στοιβάζοντάς τα πάνω από παραδοσιακές κυψέλες πυριτίου για να δημιουργήσουν διαδοχικά κύτταρα. Η επίστρωση των δύο υλικών, που το καθένα απορροφά διαφορετικό μέρος του ηλιακού φάσματος, μπορεί ενδεχομένως να αυξήσει την απόδοση των πάνελ πάνω από 50%. «Βλέπουμε ακόμα ταχεία ηλεκτροδότηση, με περισσότερα αυτοκίνητα να μένουν εκτός ρεύματος. Ελπίζουμε να αποσύρουμε περισσότερα εργοστάσια άνθρακα και τελικά να απαλλαγούμε από τα εργοστάσια φυσικού αερίου», δήλωσε ο McGehee.
Αλλά μια σημαντική πρόκληση για την κατασκευή φωτοβολταϊκών από περοβσκίτη σε εμπορική κλίμακα είναι η διαδικασία επίστρωσης του ημιαγωγού πάνω στις γυάλινες πλάκες που είναι τα δομικά στοιχεία των πάνελ. Επί του παρόντος, η διαδικασία επίστρωσης πρέπει να λάβει χώρα σε ένα μικρό κουτί γεμάτο με μη αντιδραστικό αέριο, όπως άζωτο, για να αποτραπεί η αντίδραση των περοβσκιτών με το οξυγόνο, γεγονός που μειώνει την απόδοσή τους. «Αυτό είναι καλό στο στάδιο της έρευνας. Αλλά όταν ξεκινάτε να επικαλύπτετε μεγάλα κομμάτια γυαλιού, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να το κάνετε αυτό σε ένα κουτί γεμάτο άζωτο», τόνισε ο McGehee.
Η νέα μελέτη έδειξε ότι το κύτταρο περοβσκίτη που κατασκευάστηκε με (μυρμηκικό διμεθυλαμμώνιο )DMAFo διατήρησε το 90% της αποτελεσματικότητάς του αφού οι ερευνητές το εξέθεσαν σε φως LED που μιμείται το φως του ήλιου για 700 ώρες. Αντίθετα, τα κύτταρα που δημιουργήθηκαν στον αέρα χωρίς DMAFo αποικοδομήθηκαν γρήγορα μετά από 300 ώρες.
Αν και αυτό είναι ένα πολύ ενθαρρυντικό αποτέλεσμα, υπάρχουν 8.000 ώρες σε ένα χρόνο, σημείωσε. Χρειάζονται λοιπόν μεγαλύτερες δοκιμές για να προσδιοριστεί πώς αυτά τα κύτταρα αντέχουν τις υπερωρίες. «Είναι πολύ νωρίς για να πούμε ότι είναι τόσο σταθερά όσο τα πάνελ πυριτίου, αλλά είμαστε σε καλή τροχιά προς αυτό», είπε ο McGehee.
Ο McGehee ηγείται μιας ακαδημαϊκής-βιομηχανικής συνεργασίας των ΗΠΑ που ονομάζεται Tandems for Efficient and Advanced Modules χρησιμοποιώντας Ultrastable Perovskites (TEAMUP). Μαζί με ερευνητές από άλλα τρία πανεπιστήμια, δύο εταιρείες και ένα εθνικό εργαστήριο, η κοινοπραξία έλαβε χρηματοδότηση 9 εκατομμυρίων δολαρίων από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ πέρυσι για την ανάπτυξη σταθερών tandem perovskites που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον πραγματικό κόσμο και είναι εμπορικά βιώσιμα. Ο στόχος είναι να δημιουργηθεί ένα συνδυασμό πιο αποτελεσματικό από τα συμβατικά πάνελ πυριτίου και εξίσου σταθερό σε μια περίοδο 25 ετών.
Μετά από μια δεκαετία έρευνας στους περοβσκίτες, οι μηχανικοί κατασκεύασαν κύτταρα περοβσκίτη που είναι εξίσου αποτελεσματικά με τα κύτταρα πυριτίου, τα οποία εφευρέθηκαν πριν από 70 χρόνια, είπε ο McGehee. «Φέρνουμε περοβσκίτες στη γραμμή του τερματισμού. Εάν τα tandem λειτουργούν καλά, σίγουρα έχουν τη δυνατότητα να κυριαρχήσουν στην αγορά και να γίνουν η επόμενη γενιά ηλιακών κυψελών», πρόσθεσε.
