„Adezivul molecular” întărește punctul slab din celulele solare din perovskite

Într-un spațiu relativ scurt de timp, celulele solare perovskite au devenit un candidat extrem de promițător atunci când vine vorba de modul în care am putea genera electricitate în viitor, dar există câteva probleme de proiectare care trebuie depășite mai întâi. Acestea se referă în mare măsură la probleme de stabilitate deoarece celulele se deteriorează rapid în timpul utilizării, însă oamenii de știință de la Universitatea Brown au găsit o modalitate de a aborda acest lucru, cu ceva pe care îl numesc lipici molecular. Oamenii de știință au observat câștiguri constante în performanța celulelor solare perovskite în ultimul deceniu, designul alternativ rivalizând acum cu eficiența celulelor convenționale din siliciu. Celulele din siliciu necesită, de asemenea, un echipament scump și temperaturi ridicate pentru a fi produse, în care celulele perovskite pot fi fabricate comparativ la prețuri scăzute și la temperatura camerei și apoi reciclate mai ușor după utilizare. Acești factori se combină cu potențialul lor excelent de absorbție a luminii.

Deoarece sunt realizate din diferite materiale, schimbările de temperatură pot determina extinderea sau contractarea acestor straturi diferite la ritmuri diferite, ducând la solicitări mecanice care le determină să se decupeze. Oamenii de știință ai Universității Brown s-au concentrat asupra a ceea ce spun că este cea mai supărătoare interfeță dintre aceste straturi, unde filmul de perovskit absorbant de lumină se întâlnește cu stratul de transport al electronilor, care gestionează curentul care curge prin celulă. „Un lanț este la fel de puternic ca cea mai slabă verigă a sa și am identificat această interfață ca fiind cea mai slabă parte a întregului teanc, unde eșecul este cel mai probabil”, a spus autorul principal al studiului Nitin Padture. „Dacă putem consolida acest lucru, atunci putem începe să aducem îmbunătățiri reale în fiabilitate.” În lucrarea anterioară ca om de știință al materialelor, Padture a dezvoltat noi acoperiri ceramice pentru a fi utilizate în setări de înaltă performanță, cum ar fi motoarele de aeronave. Pe baza acestui fapt, el și autorii studiului au început să investigheze modul în care compușii numiți monostraturi auto-asamblate (SAM) ar putea să-i ajute să abordeze problemele de stabilitate care afectează celulele solare perovskite. Aceasta este o clasa mare de compusi, a spus Padture. „Când le depuneți pe o suprafață, moleculele se adună într-un singur strat și se ridică precum niște fire de păr scurte. Folosind formula potrivită, puteți forma legături puternice între acești compuși și tot felul de suprafețe diferite. ” Aceste SAM-uri pot fi aplicate pe celule printr-un proces de acoperire prin imersiune la temperatura camerei, iar echipa a găsit o rețetă în special dovedită deosebit de promițătoare. Folosind SAM-uri din atomi de siliciu și iod, oamenii de știință au reușit să formeze legături puternice între filmul de perovskit absorbant de lumină și stratul de transport al electronilor.

„Când am introdus SAM-urile în interfață, am constatat că crește rezistența la rupere a interfeței cu aproximativ 50%, ceea ce înseamnă că orice crăpături care se formează la interfață tind să nu se propage foarte departe”, a spus Padture. „Așadar, efectiv, SAM-urile devin un fel de adeziv molecular care ține cele două straturi laolaltă”. În testare, echipa a constatat că această abordare a condus la îmbunătățiri substanțiale ale longevității celulelor solare perovskite, care și-au păstrat 80% din eficiența lor maximă după aproximativ 1.300 de ore de utilizare. Acest lucru a fost comparat cu celulele non-SAM care au durat doar aproximativ 700 de ore, echipa proiectând că noul lor design ar putea funcționa la acest nivel timp de aproximativ 4.000 de ore. Celulele din siliciu oferă de obicei acest tip de performanță pe parcursul a 25 de ani, deci există o mulțime de muncă de făcut, dar semnele sunt promițătoare. „Unul dintre celelalte lucruri pe care le-am făcut, pe care oamenii nu îl fac în mod normal, este că am rupt celulele după testare”, a spus Zhenghong Dai, primul autor al cercetării. „În celulele de control fără SAM, am văzut tot felul de daune, cum ar fi golurile și fisurile. Dar cu SAM-urile, interfețele întărite arătau foarte bine. A fost o îmbunătățire dramatică care ne-a cam șocat. ” În special, cercetătorii spun că adăugarea SAM-urilor nu compromite eficiența celulei, ci mai degrabă o îmbunătățește cu o cantitate mică prin eliminarea micilor defecte care s-ar forma în mod normal pe măsură ce cele două straturi sunt legate între ele. Ei speră să se bazeze pe aceste descoperiri promițătoare prin aplicarea tehnicii la interfețele dintre celelalte straturi din stivele de celule solare perovskite, pentru a îmbunătăți și mai mult stabilitatea. „Acesta este genul de cercetare necesară pentru a face celule care să fie ieftine, eficiente și performante de zeci de ani”, a spus Padture.

Sursa:newatlas.com