Χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών για την υπέρβαση των περιορισμών των ηλιακών κυψελών
Ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη Τα ηλιακά στοιχεία περοβσκίτη έχουν πλεονεκτήματα σε σχέση με την τρέχουσα τεχνολογία ηλιακών στοιχείων. Έχουν τη δυνατότητα να είναι πιο αποδοτικά, είναι ελαφριά και κοστίζουν λιγότερο από άλλες παραλλαγές. Σε ένα ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη, το στρώμα περοβσκίτη βρίσκεται ανάμεσα σε ένα διαφανές ηλεκτρόδιο στο μπροστινό μέρος και ένα ανακλαστικό ηλεκτρόδιο στο πίσω μέρος του στοιχείου. Τα στρώματα μεταφοράς ηλεκτροδίων και μεταφοράς οπών εισάγονται μεταξύ των διεπαφών καθόδου και ανόδου, γεγονός που διευκολύνει τη συλλογή φορτίου στα ηλεκτρόδια. Υπάρχουν τέσσερις ταξινομήσεις των περοβσκιτικών ηλιακών κυψελών με βάση τη μορφολογική δομή και την αλληλουχία στρωμάτων του στρώματος μεταφοράς φορτίου: κανονικές επίπεδες, ανεστραμμένες επίπεδες, κανονικές μεσοπορώδεις και ανεστραμμένες μεσοπορώδεις δομές. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετά μειονεκτήματα με την τεχνολογία. Το φως, η υγρασία και το οξυγόνο μπορούν να προκαλέσουν την υποβάθμισή τους, η απορρόφησή τους μπορεί να είναι ασύμβατη και έχουν επίσης προβλήματα με τον μη ακτινοβολικό ανασυνδυασμό φορτίου. Οι περοβσκίτες μπορούν να διαβρωθούν από υγρούς ηλεκτρολύτες, οδηγώντας σε προβλήματα σταθερότητας. Για να υλοποιηθούν οι πρακτικές εφαρμογές τους, πρέπει να γίνουν βελτιώσεις στην απόδοση μετατροπής ενέργειας και στη λειτουργική τους σταθερότητα. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία έχουν οδηγήσει σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη με απόδοση 25,5%, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υστερούν πολύ σε σχέση με τα συμβατικά φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Για τον σκοπό αυτό, έχουν διερευνηθεί οι εφαρμογές στοιχείων σπάνιων γαιών σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη. Διαθέτουν φωτοφυσικές ιδιότητες που ξεπερνούν τα προβλήματα. Η χρήση τους σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη θα βελτιώσει επομένως τις ιδιότητές τους, καθιστώντας τα πιο βιώσιμα για εφαρμογή σε μεγάλη κλίμακα για λύσεις καθαρής ενέργειας. Πώς τα στοιχεία της σπάνιας γης βοηθούν τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη Υπάρχουν πολλές πλεονεκτικές ιδιότητες που διαθέτουν τα στοιχεία σπάνιων γαιών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της λειτουργίας αυτής της νέας γενιάς ηλιακών κυψελών. Πρώτον, τα δυναμικά οξείδωσης και αναγωγής στα ιόντα σπάνιων γαιών είναι αναστρέψιμα, μειώνοντας την οξείδωση και αναγωγή του ίδιου του υλικού-στόχου. Επιπλέον, ο σχηματισμός λεπτής μεμβράνης μπορεί να ρυθμιστεί με την προσθήκη αυτών των στοιχείων μέσω της σύζευξής τους τόσο με περοβσκίτες όσο και με οξείδια μετάλλων μεταφοράς φορτίου. Επιπλέον, η δομή φάσης και οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες μπορούν να ρυθμιστούν με την υποκατάστατη ενσωμάτωσή τους στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η παθητικοποίηση ελαττωμάτων μπορεί να επιτευχθεί με επιτυχία με την ενσωμάτωσή τους στο υλικό-στόχο είτε ενδιάμεσα στα όρια των κόκκων είτε στην επιφάνεια του υλικού. Επιπλέον, τα υπέρυθρα και υπεριώδη φωτόνια μπορούν να μετατραπούν σε ορατό φως που ανταποκρίνεται στον περοβσκίτη λόγω της παρουσίας πολυάριθμων ενεργειακών τροχιών μετάβασης στα ιόντα σπάνιων γαιών. Τα πλεονεκτήματα αυτού είναι διπλά: αποτρέπει την πρόκληση ζημιάς στους περοβσκίτες από φως υψηλής έντασης και επεκτείνει το εύρος φασματικής απόκρισης του υλικού. Η χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών βελτιώνει σημαντικά τη σταθερότητα και την απόδοση των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη. Τροποποίηση Μορφολογιών Λεπτών Υμενίων Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να τροποποιήσουν τις μορφολογίες λεπτών υμενίων που αποτελούνται από οξείδια μετάλλων. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι η μορφολογία του υποκείμενου στρώματος μεταφοράς φορτίου επηρεάζει τη μορφολογία του στρώματος περοβσκίτη και την επαφή του με το στρώμα μεταφοράς φορτίου. Για παράδειγμα, η προσθήκη ιόντων σπάνιων γαιών αποτρέπει τη συσσωμάτωση νανοσωματιδίων SnO2 που μπορούν να προκαλέσουν δομικά ελαττώματα, και επίσης μετριάζει τον σχηματισμό μεγάλων κρυστάλλων NiOx, δημιουργώντας ένα ομοιόμορφο και συμπαγές στρώμα κρυστάλλων. Έτσι, μπορούν να επιτευχθούν λεπτές στρώσεις μεμβρανών αυτών των ουσιών χωρίς ελαττώματα με προσθήκη ιόντων σπάνιων γαιών. Επιπλέον, το στρώμα ικριώματος στα κύτταρα περοβσκίτη που έχουν μεσοπορώδη δομή παίζει σημαντικό ρόλο στις επαφές μεταξύ των στρωμάτων του περοβσκίτη και της μεταφοράς φορτίου στα ηλιακά κύτταρα. Τα νανοσωματίδια σε αυτές τις δομές μπορούν να εμφανίσουν μορφολογικά ελαττώματα και πολλά όρια κόκκων. Αυτό οδηγεί σε δυσμενή και σοβαρό μη ακτινοβολικό ανασυνδυασμό φορτίου. Η πλήρωση των πόρων είναι επίσης ένα πρόβλημα. Η προσθήκη ιόντων σπάνιων γαιών ρυθμίζει την ανάπτυξη του ικριώματος και μειώνει τα ελαττώματα, δημιουργώντας ευθυγραμμισμένες και ομοιόμορφες νανοδομές. Παρέχοντας βελτιώσεις στη μορφολογική δομή του περοβσκίτη και των στρωμάτων μεταφοράς φορτίου, τα ιόντα σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική απόδοση και σταθερότητα των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για εμπορικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Η σημασία των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη δεν μπορεί να υποτιμηθεί. Θα παρέχουν ανώτερη ικανότητα παραγωγής ενέργειας σε πολύ χαμηλότερο κόστος από τα τρέχοντα ηλιακά κυψελάκια με βάση το πυρίτιο που κυκλοφορούν στην αγορά. Η μελέτη κατέδειξε ότι η προσθήκη περοβσκίτη με ιόντα σπάνιων γαιών βελτιώνει τις ιδιότητές του, οδηγώντας σε βελτιώσεις στην απόδοση και τη σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά κυψέλες περοβσκίτη με βελτιωμένη απόδοση είναι ένα βήμα πιο κοντά στο να γίνουν πραγματικότητα.
Ώρα δημοσίευσης: 04 Ιουλίου 2022 