วัสดุใหม่ชี้ไปยังเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง

เซลล์แสงอาทิตย์ที่รวมแร่เพอร์มาไซท์ได้รับความสนใจตั้งแต่วัสดุถูกแสดงครั้งแรกให้ทำงานในปี 2009 เซลล์แสงอาทิตย์ที่สร้างขึ้นโดยใช้วัสดุนี้มีประสิทธิภาพมากกว่าแผงเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน ปัจจุบันแผงโซลาร์เซลล์จับพลังงานแสงอาทิตย์เฉลี่ย 15% ถึง 18% ในขณะที่เซลล์แสงอาทิตย์ perovskite นั้นมีประสิทธิภาพมากถึง 28%

แต่มีอุปสรรคสำคัญในการใช้วัสดุเหล่านี้ในเชิงพาณิชย์: วัสดุที่ไม่มั่นคงและพวกเขามีตะกั่วละลายในน้ำซึ่งเป็นอันตรายต่อสุขภาพ

ตอนนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่นำโดย Letian Dou ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีของมหาวิทยาลัย Purdue ได้พัฒนาวัสดุที่มีลักษณะคล้ายแซนด์วิชซึ่งรวมวัสดุอินทรีย์และอนินทรีย์เข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างแบบไฮบริดที่ไม่ใช้ตะกั่วและมีเสถียรภาพมากขึ้น

“ โครงสร้างเหล่านี้น่าตื่นเต้นมาก” Dou กล่าว “โครงสร้างของแซนวิชนั้นเปรียบเสมือนบ่อควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ แต่มันง่ายกว่ามากในการผลิตและทนต่อข้อบกพร่อง”

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวันจันทร์ที่ 11 พฤศจิกายนในวารสาร Nature Chemistry

ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสารสมาคมเคมีอเมริกันในเดือนกันยายนนักวิทยาศาสตร์ได้รวมวัสดุนี้ไว้ในส่วนประกอบที่สำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดซึ่งเป็นทรานซิสเตอร์ภาคสนาม

เหยา Gao ผู้เขียนหลักของทั้งงานวิจัยและเพื่อนหลังปริญญาเอกในกลุ่มวิจัยของ Dou กล่าวว่าวัสดุ perovskite ไฮบริดอินทรีย์นินทรีย์ใหม่มีราคาถูกกว่าและทำงานได้ดีกว่าเซมิคอนดักเตอร์อนินทรีย์ดั้งเดิม นอกจากนี้ Gao ยังกล่าวว่ากลยุทธ์การออกแบบวัสดุใหม่นั้นสามารถทำหน้าที่เป็นพิมพ์เขียวสำหรับวัสดุไฮบริดที่ใช้งานได้หลายอย่าง

“เซลล์สุริยะตามที่หลาย ๆ คนแสดงให้เห็นนั้นมีประสิทธิภาพสูง” เขากล่าว “ด้วยเทคโนโลยีใหม่ของเราเราสามารถทำให้วัสดุไฮบริด perovskite มีความมั่นคงมากขึ้นโดยการแทนที่ตะกั่วที่เป็นพิษวัสดุใหม่เหล่านี้จะดีกว่าสำหรับสภาพแวดล้อมและยังสามารถนำมาใช้อย่างปลอดภัยสำหรับเซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิคส์ชีวภาพในร่างกาย”

นักวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่าเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite สามารถรับกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้นอย่างไร

ในบทความที่ตีพิมพ์ใน Science Advances ในสัปดาห์นี้ศาสตราจารย์ Sum Tze Chien จาก NTU และศาสตราจารย์ Maxim Pshenichnikov จาก UG ใช้เลเซอร์ที่เร็วมากในการสังเกตว่ารูปแบบของกำแพงพลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไรเมื่อ perovskite เชื่อมต่อกับวัสดุที่สกัดประจุไฟฟ้าเพื่อสร้างพลังงานแสงอาทิตย์ เซลล์

โดยทั่วไปเซลล์แสงอาทิตย์จะดูดซับแสงอาทิตย์และแปลงเป็นประจุไฟฟ้า ในระหว่างกระบวนการนี้อนุภาคแสงมีพลังงานมากกว่าที่ต้องการเพื่อสร้างประจุไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์

พลังงานส่วนเกินนี้ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าประจุ “ร้อน” ซึ่งสูญเสียพลังงานส่วนเกินอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกับความร้อน (ภายในหนึ่ง picosecond) เหลือเพียงประจุ “เย็น” สำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้า

การสูญเสียพลังงานนี้เป็นสาเหตุที่เซลล์แสงอาทิตย์ธรรมดามีขีด จำกัด ทางทฤษฎีที่ 33 เปอร์เซ็นต์สำหรับประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน เซลล์แสงอาทิตย์ perovskite ที่ดีที่สุดจนถึงปัจจุบันมีประสิทธิภาพร้อยละ 25 เกือบจะเทียบเท่ากับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด

นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าหากสามารถสกัดค่า “ร้อน” ได้เร็วพอจากนั้นเมื่อรวมกับค่า “เย็น” ที่เก็บเกี่ยวไปแล้วก็อาจนำไปสู่เซลล์สุริยะ “ร้อน” ที่มีประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงถึง 66%

กุญแจสำคัญในการแยกประจุไฟฟ้าร้อนเหล่านี้ออกมาอย่างรวดเร็วเพียงพอนั้นอยู่ในการเลือกวัสดุ ‘การสกัด’ ที่ถูกต้องเพื่อเชื่อมกับ perovskite ทีมของ Prof Sum ได้คิดค้นวิธีการวัดซึ่งเป็นวัสดุสกัดที่ดีที่สุด

Prof Sum, รองประธาน (การวิจัย) ที่โรงเรียนวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ของ NTU กล่าวว่า “การค้นพบล่าสุดของเราแสดงให้เห็นว่าค่าใช้จ่ายเหล่านี้ ‘ร้อน’ ต้องเป็นอย่างไรเพื่อที่จะข้ามกำแพงพลังงานโดยไม่สูญเสียความร้อน ความจำเป็นในการจับคู่วัสดุ ‘การสกัด’ ที่ดีขึ้นกับ perovskites ถ้าเราต้องการลดกำแพงพลังงานนี้เพื่อลดเซลล์สุริยะที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น “

ข้อได้เปรียบหลักของเซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite คือเซลล์แสงอาทิตย์ราคาถูกและผลิตได้ง่ายโดยใช้วัสดุห้องปฏิบัติการทางเคมีทั่วไปและไม่ต้องการกระบวนการผลิตที่ใช้พลังงานสูง

ศาสตราจารย์ Sum และผู้ร่วมงานของเขาที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ในสาขาวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าค่าใช้จ่าย “ร้อน” ใน perovskites สูญเสียพลังงานส่วนเกินของพวกเขาช้ากว่าในสารกึ่งตัวนำอื่น ๆ ทีมก็ชะลอการสูญเสียพลังงานนี้ต่อไปโดยใช้ perovskites ขนาดนาโนทำให้ง่ายต่อการแยกประจุที่ร้อนเป็นไฟฟ้า

ในการทดลองล่าสุดของพวกเขานักวิทยาศาสตร์ NTU และ UG เฝ้าดูเซลล์แสงอาทิตย์ในที่ทำงานโดยใช้เลเซอร์พัลส์ femtosecond ที่สามารถวัดกระบวนการที่เกิดขึ้นเร็วกว่าแฟลชของกล้องประมาณ 100 ล้านเท่า นักวิทยาศาสตร์ศึกษาพฤติกรรมของประจุ “ร้อน” ที่ถูกสร้างขึ้นและวิธีที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่าน perovskite ไปยังวัสดุสกัดได้โดยไม่สูญเสียพลังงานส่วนเกินเป็นความร้อน

ศาสตราจารย์ Pshenichnikov กล่าวว่า “เซลล์สุริยะที่มีประสิทธิภาพสูงอาจหมายถึงความเป็นไปได้ในการเพิ่มการจัดหาพลังงานจากแผงโซล่าร์โดยไม่จำเป็นต้องมีพื้นที่ผิวมากขึ้น”

ดร. Henk Bolink ให้ความเห็นเกี่ยวกับการวิจัยอิสระจาก Institut de Ciència Molecular (ICMol) ของ Cientific Parc ของมหาวิทยาลัยวาเลนเซียกล่าวว่านอกเหนือจากชั้นดูดซับแสงที่เหมาะสมเซลล์แสงอาทิตย์ยังต้องการชั้นการแยกประจุที่เลือกแยกอิเล็กตรอน หรือรูถึงสองขั้วของเซลล์