Χρησιμοποιώντας στοιχεία σπάνιας γης για να ξεπεραστούν οι περιορισμοί των ηλιακών κυττάρων
Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite έχουν πλεονεκτήματα έναντι της τρέχουσας τεχνολογίας ηλιακών κυττάρων. Έχουν τη δυνατότητα να είναι πιο αποτελεσματικές, είναι ελαφριά και κοστίζουν λιγότερο από άλλες παραλλαγές. Σε ένα ηλιακό κύτταρο Perovskite, το στρώμα του perovskite είναι σάντουιτς ανάμεσα σε ένα διαφανές ηλεκτρόδιο στο μπροστινό μέρος και ένα αντανακλαστικό ηλεκτρόδιο στο πίσω μέρος του κυττάρου. Τα στρώματα μεταφοράς ηλεκτροδίων και μεταφοράς οπών εισάγονται μεταξύ διεπαφών καθόδου και ανόδου, οι οποίες διευκολύνουν τη συλλογή φορτίου στα ηλεκτρόδια. Υπάρχουν τέσσερις ταξινομήσεις των ηλιακών κυττάρων Perovskite που βασίζονται στη δομή της μορφολογίας και στη στρώση του στρώματος μεταφοράς φορτίου: τακτικές επίπεδες, ανεστραμμένες επίπεδες, τακτικές 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 αναντολογηθεί και έχουν επίσης προβλήματα με τον ανασυνδυασμό μη ακτινοβολίας. Οι περοβσκίτες μπορούν να διαβρωθούν από υγρούς ηλεκτρολύτες, οδηγώντας σε προβλήματα σταθερότητας. Για να πραγματοποιήσουν τις πρακτικές εφαρμογές τους, οι βελτιώσεις πρέπει να γίνουν στην αποτελεσματικότητα της μετατροπής ισχύος και στην επιχειρησιακή σταθερότητα. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία οδήγησαν σε ηλιακά κύτταρα Perovskite με απόδοση 25,5%, πράγμα που σημαίνει ότι δεν βρίσκονται πολύ πίσω από τα συμβατικά φωτοβολταϊκά ηλιακά κύτταρα πυριτίου. Για το σκοπό αυτό, έχουν διερευνηθεί στοιχεία σπάνιων γαιών για εφαρμογές σε ηλιακά κύτταρα Perovskite. Διαθέτουν φωτοφυσικές ιδιότητες που ξεπερνούν τα προβλήματα. Η χρήση τους σε ηλιακά κύτταρα Perovskite θα βελτιώσει επομένως τις ιδιότητές τους, καθιστώντας τα πιο βιώσιμα για την υλοποίηση μεγάλης κλίμακας για λύσεις καθαρής ενέργειας. Πώς τα στοιχεία σπάνιων γαιών βοηθούν τα ηλιακά κύτταρα Perovskite Υπάρχουν πολλές πλεονεκτικές ιδιότητες που διαθέτουν τα στοιχεία σπάνιων γαιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της λειτουργίας αυτής της νέας γενιάς ηλιακών κυττάρων. Πρώτον, τα δυναμικά οξείδωσης και μείωσης στα ιόντα σπάνιων γαιών είναι αναστρέψιμα, μειώνοντας την οξείδωση και τη μείωση του υλικού στόχου. Επιπλέον, ο σχηματισμός λεπτών υδατών μπορεί να ρυθμιστεί με την προσθήκη αυτών των στοιχείων, συνδέοντάς τα με τους περοβσκίτες και τα μεταλλικά οξείδια μεταφοράς μεταφοράς. Επιπλέον, η δομή φάσης και οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες μπορούν να ρυθμιστούν με την υποκατάσταση τους στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η παθητικοποίηση του ελαττώματος μπορεί να επιτευχθεί με επιτυχία με την ενσωμάτωσή τους στο υλικό στόχου είτε ενδιάμεσα στα όρια των κόκκων είτε στην επιφάνεια του υλικού. Επιπλέον, τα υπέρυθρα και τα υπεριώδη φωτόνια μπορούν να μετατραπούν σε ορατό φως που ανταποκρίνεται στο περοβσκίτη λόγω της παρουσίας πολυάριθμων ενεργειακών μεταβατικών τροχιών στα ιόντα σπάνιων γαιών. Τα πλεονεκτήματα αυτού είναι διπλά: αποφεύγει τους περοβσκίτες που έχουν υποστεί βλάβη από το φως υψηλής έντασης και επεκτείνει το εύρος φασματικής απόκρισης του υλικού. Η χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών βελτιώνει σημαντικά τη σταθερότητα και την αποτελεσματικότητα των ηλιακών κυττάρων Perovskite. Τροποποίηση μορφολογιών λεπτών φιλμ Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να τροποποιήσουν τις μορφολογίες των λεπτών μεμβρανών που αποτελούνται από μεταλλικά οξείδια. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι η μορφολογία του υποκείμενου στρώματος μεταφοράς φορτίου επηρεάζει τη μορφολογία του στρώματος Perovskite και την επαφή του με το στρώμα μεταφοράς φορτίου. Για παράδειγμα, το ντόπινγκ με ιόντα σπάνιων γιοτικών εμποδίζει τη συσσωμάτωση των νανοσωματιδίων SnO2 που μπορούν να προκαλέσουν δομικά ελαττώματα και επίσης μετριάζουν το σχηματισμό μεγάλων κρυστάλλων Niox, δημιουργώντας ένα ομοιόμορφο και συμπαγές στρώμα κρυστάλλων. Έτσι, οι λεπτές μεμβράνες αυτών των ουσιών χωρίς ελαττώματα μπορούν να επιτευχθούν με ντόπινγκ σπάνιων γη. Επιπλέον, το στρώμα ικριώματος σε κύτταρα Perovskite που έχουν μεσοπορώδη δομή διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις επαφές μεταξύ των στρωμάτων μεταφοράς Perovskite και φορτίου στα ηλιακά κύτταρα. Τα νανοσωματίδια σε αυτές τις δομές μπορούν να εμφανίζουν μορφολογικά ελαττώματα και πολυάριθμα όρια κόκκων. Αυτό οδηγεί σε ανεπιθύμητη και σοβαρή ανασυνδυασμένη χρέωση. Η πλήρωση των πόρων είναι επίσης ένα ζήτημα. Το ντόπινγκ με ιόντα σπάνιας γης ρυθμίζει την ανάπτυξη των ικριώματος και μειώνει τα ελαττώματα, δημιουργώντας ευθυγραμμισμένες και ομοιόμορφες νανοδομές. Παρέχοντας βελτιώσεις για τη μορφολογική δομή των στρώσεων μεταφοράς Perovskite και φορτίου, τα ιόντα σπάνιων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική απόδοση και τη σταθερότητα των ηλιακών κυττάρων Perovskite, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για μεγάλες εμπορικές εφαρμογές. Η σημασία των ηλιακών κυττάρων Perovskite δεν μπορεί να υποτιμηθεί. Θα παρέχουν ανώτερη χωρητικότητα παραγωγής ενέργειας για πολύ χαμηλότερο κόστος από τα σημερινά ηλιακά κύτταρα που βασίζονται σε πυρίτιο στην αγορά. Η μελέτη έχει αποδείξει ότι το ντόπινγκ perovskite με ιόντα σπάνιας γης βελτιώνει τις ιδιότητές του, οδηγώντας σε βελτιώσεις στην αποτελεσματικότητα και τη σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα Perovskite με βελτιωμένη απόδοση είναι ένα βήμα πιο κοντά στο να γίνει πραγματικότητα.
Χρόνος δημοσίευσης: Ιουλ-04-2022 