Grupa prof. Yany Vaynzof zademonstrowała nowatorską koncepcję ogniw słonecznych, która wykorzystuje zdolność materiałów do istnienia w różnych fazach krystalicznych. Związane z tym badania zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Energy.
Kryształy, wizja artystyczna. Duże w nowym oknie >>
Celem ogniwa fotowoltaicznego jest przekształcenie światła słonecznego w energię elektryczną. Poprzez absorpcję światła słonecznego generowane są pary nośników ładunku, które następnie muszą być kierowane na przeciwległe strony diody fotowoltaicznej, aby wytworzyć prąd elektryczny. Aby ułatwić ten proces, większość ogniw słonecznych zawiera heterozłącza, które zapewniają korzystny krajobraz energetyczny do napędzania ładunków, które mają być rozdzielone.
Na przykład, krzemowe ogniwa słoneczne tworzą heterozłącza poprzez elektryczne domieszkowanie każdej strony urządzenia, tworząc złącze p-n. Organiczne ogniwa słoneczne, z drugiej strony, polegają na mieszaniu różnych typów materiałów (donorowych i akceptorowych) w celu utworzenia heterozłącza typu bulk. Jednak te koncepcje często nie mają zastosowania w przypadku nowych klas materiałów fotowoltaicznych.
Prof. Vaynzof i jej zespół pokazali teraz zupełnie nową koncepcję tworzenia heterozłącza dla fotowoltaiki. Aby to zrobić, badacze wykorzystują fakt, iż materiały mogą często istnieć w różnych konfiguracjach strukturalnych, określanych jako fazy krystaliczne.
Zjawisko to, zwane polimorfizmem, oznacza, iż ten sam materiał może wykazywać różne adekwatności, w zależności od specyficznych układów atomów i cząsteczek w jego strukturze. Vaynzof i jego zespół, łącząc dwie takie fazy tego samego materiału, po raz pierwszy zademonstrowali tworzenie fazowego heterozłącza ogniw słonecznych. Aby zrealizować swoją koncepcję, naukowcy wybrali perowskit z jodkiem cezu - wysoce wydajny materiał absorpcyjny dla ogniw słonecznych - w fazie beta i gamma.
"Właściwości optyczne i elektroniczne jodku ołowiu cezu w jego fazie beta i gamma różnią się od siebie" - wyjaśnia prof. Vaynzof. "Poprzez umieszczenie gamma-perowskitu na wierzchu beta-perowskitu byliśmy w stanie sfabrykować fazowe heterojunction ogniwo słoneczne, które jest znacznie bardziej wydajne w porównaniu z ogniwami słonecznymi, które są oparte na jednofazowych perowskitach". Naukowcy pokazują w swoim badaniu, iż górna warstwa gamma-perowskitu wpływa na wydajność ogniw słonecznych na wiele sposobów.
"Nawet cienkie warstwy gamma-perowskitu prowadziły do poprawy wydajności ze względu na pasywację defektów na powierzchni warstwy spodniej. Grubsze warstwy gamma-perowskitu skutkowały znaczną poprawą wszystkich parametrów wydajności fotowoltaicznej, przy czym mistrzowskie urządzenie osiągnęło sprawność konwersji energii na poziomie ponad 20 procent" - dodaje Ran Ji, główny autor badania.
"Zaawansowana analiza spektroskopowa ujawniła, iż ta poprawa wydajności związana jest ze zwiększoną absorpcją światła i tworzeniem korzystnego ułożenia energetycznego pomiędzy dwoma fazami" - wyjaśnia prof. Vaynzof.
Co ważne, badacze potwierdzili, iż heterozłącza fazowe pozostają stabilne podczas pracy ogniwa słonecznego, a choćby tłumią migrację jonów w absorberze ogniwa słonecznego, rozwiązując problem często spotykany w przypadku materiałów perowskitowych.
Aby zrealizować koncepcję heterozłącza fazowego, naukowcy wykorzystali dwa różne procesy produkcji dla warstwy górnej i dolnej. To wszechstronne podejście otwiera drogę do tworzenia innych tego typu struktur w przyszłości. "Mamy nadzieję, iż ta nowatorska koncepcja w połączeniu z prostą drogą wytwarzania heterozłącza fazowego znajdzie zastosowanie również w przypadku różnych układów materiałowych w szeregu urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych" - mówi prof. Vaynzof.
Ponieważ wiele klas półprzewodników wykazuje polimorfizm, koncepcja ta może utorować drogę do zupełnie nowych zastosowań działających w oparciu o heterozłącza fazowe, które mogą być tworzone z jednego materiału przy użyciu prostych i niedrogich procesów wytwarzania.
Źródło: TechExplore.com: A novel concept for photovoltaics that exploits the ability of materials to exist in different crystalline phases
Ran Ji et al --> Nature Energy --> Perovskite phase heterojunction solar cells --> DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
Na przykład, krzemowe ogniwa słoneczne tworzą heterozłącza poprzez elektryczne domieszkowanie każdej strony urządzenia, tworząc złącze p-n. Organiczne ogniwa słoneczne, z drugiej strony, polegają na mieszaniu różnych typów materiałów (donorowych i akceptorowych) w celu utworzenia heterozłącza typu bulk. Jednak te koncepcje często nie mają zastosowania w przypadku nowych klas materiałów fotowoltaicznych.
Prof. Vaynzof i jej zespół pokazali teraz zupełnie nową koncepcję tworzenia heterozłącza dla fotowoltaiki. Aby to zrobić, badacze wykorzystują fakt, iż materiały mogą często istnieć w różnych konfiguracjach strukturalnych, określanych jako fazy krystaliczne.
Zjawisko to, zwane polimorfizmem, oznacza, iż ten sam materiał może wykazywać różne adekwatności, w zależności od specyficznych układów atomów i cząsteczek w jego strukturze. Vaynzof i jego zespół, łącząc dwie takie fazy tego samego materiału, po raz pierwszy zademonstrowali tworzenie fazowego heterozłącza ogniw słonecznych. Aby zrealizować swoją koncepcję, naukowcy wybrali perowskit z jodkiem cezu - wysoce wydajny materiał absorpcyjny dla ogniw słonecznych - w fazie beta i gamma.
"Właściwości optyczne i elektroniczne jodku ołowiu cezu w jego fazie beta i gamma różnią się od siebie" - wyjaśnia prof. Vaynzof. "Poprzez umieszczenie gamma-perowskitu na wierzchu beta-perowskitu byliśmy w stanie sfabrykować fazowe heterojunction ogniwo słoneczne, które jest znacznie bardziej wydajne w porównaniu z ogniwami słonecznymi, które są oparte na jednofazowych perowskitach". Naukowcy pokazują w swoim badaniu, iż górna warstwa gamma-perowskitu wpływa na wydajność ogniw słonecznych na wiele sposobów.
"Nawet cienkie warstwy gamma-perowskitu prowadziły do poprawy wydajności ze względu na pasywację defektów na powierzchni warstwy spodniej. Grubsze warstwy gamma-perowskitu skutkowały znaczną poprawą wszystkich parametrów wydajności fotowoltaicznej, przy czym mistrzowskie urządzenie osiągnęło sprawność konwersji energii na poziomie ponad 20 procent" - dodaje Ran Ji, główny autor badania.
"Zaawansowana analiza spektroskopowa ujawniła, iż ta poprawa wydajności związana jest ze zwiększoną absorpcją światła i tworzeniem korzystnego ułożenia energetycznego pomiędzy dwoma fazami" - wyjaśnia prof. Vaynzof.
Co ważne, badacze potwierdzili, iż heterozłącza fazowe pozostają stabilne podczas pracy ogniwa słonecznego, a choćby tłumią migrację jonów w absorberze ogniwa słonecznego, rozwiązując problem często spotykany w przypadku materiałów perowskitowych.
Aby zrealizować koncepcję heterozłącza fazowego, naukowcy wykorzystali dwa różne procesy produkcji dla warstwy górnej i dolnej. To wszechstronne podejście otwiera drogę do tworzenia innych tego typu struktur w przyszłości. "Mamy nadzieję, iż ta nowatorska koncepcja w połączeniu z prostą drogą wytwarzania heterozłącza fazowego znajdzie zastosowanie również w przypadku różnych układów materiałowych w szeregu urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych" - mówi prof. Vaynzof.
Ponieważ wiele klas półprzewodników wykazuje polimorfizm, koncepcja ta może utorować drogę do zupełnie nowych zastosowań działających w oparciu o heterozłącza fazowe, które mogą być tworzone z jednego materiału przy użyciu prostych i niedrogich procesów wytwarzania.
Źródło: TechExplore.com: A novel concept for photovoltaics that exploits the ability of materials to exist in different crystalline phases
Ran Ji et al --> Nature Energy --> Perovskite phase heterojunction solar cells --> DOI: 10.1038/s41560-022-01154-y
