วิธีการทำเทมเพลททำให้วัสดุ ‘ในอุดมคติ’ เสถียรสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ทางเลือก

นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการในการรักษาเสถียรภาพของวัสดุที่มีแนวโน้มว่าจะเรียกว่า perovskite สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ราคาถูก โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ใช้โมเลกุลอินทรีย์เป็น ‘แม่แบบ’ เพื่อนำภาพยนตร์ perovskite เข้าสู่ระยะที่ต้องการในขณะที่ก่อตัว ผลลัพธ์ของพวกเขา ได้รับการรายงานในวารสาร Science

วัสดุ Perovskite เป็นทางเลือกที่ถูกกว่าสำหรับซิลิคอนในการผลิตอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ เช่น เซลล์แสงอาทิตย์และไฟ LED

มีเพอร์รอฟสกีต์ที่แตกต่างกันมากมาย ซึ่งเป็นผลมาจากการผสมผสานขององค์ประกอบต่างๆ แต่สิ่งหนึ่งที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือคริสตัล FAPbI3 ที่ใช้ฟอร์มามิดิเนียม (FA)

สารประกอบนี้มีความคงตัวทางความร้อนและ ‘bandgap’ โดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับพลังงานที่ส่งออกของอุปกรณ์ อยู่ไม่ไกลในอุดมคติสำหรับการใช้งานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ จึงเป็นจุดเน้นของความพยายามในการพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด อย่างไรก็ตาม สารประกอบสามารถมีอยู่ในสองเฟสที่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยเฟสหนึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ดีเยี่ยม และอีกเฟสหนึ่งส่งผลให้มีการส่งออกพลังงานน้อยมาก

“ปัญหาใหญ่ของ FAPbI3 คือระยะที่คุณต้องการจะเสถียรที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 องศาเซลเซียสเท่านั้น” Tiarnan Doherty จาก Cavendish Laboratory ของเคมบริดจ์ผู้เขียนคนแรกของหนังสือพิมพ์กล่าว “ที่อุณหภูมิห้อง มันจะเปลี่ยนไปเป็นอีกเฟสหนึ่ง ซึ่งไม่ดีสำหรับแผงเซลล์แสงอาทิตย์”

สารละลายล่าสุดในการรักษาวัสดุให้อยู่ในเฟสที่ต้องการที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้นเกี่ยวข้องกับการเพิ่มไอออนบวกและลบที่แตกต่างกันลงในสารประกอบ

“ประสบความสำเร็จและนำไปสู่การบันทึกอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ แต่ก็ยังมีการสูญเสียพลังงานในท้องถิ่นที่เกิดขึ้น” โดเฮอร์ตี้ซึ่งสังกัดภาควิชาวิศวกรรมเคมีและเทคโนโลยีชีวภาพกล่าว “คุณลงเอยด้วยภูมิภาคท้องถิ่นในภาพยนตร์ที่ไม่อยู่ในช่วงที่เหมาะสม”

ไม่ค่อยมีใครรู้ว่าเหตุใดการเติมไอออนเหล่านี้จึงทำให้ความเสถียรโดยรวมดีขึ้น หรือแม้แต่ผลลัพธ์ของโครงสร้าง perovskite

Doherty กล่าวว่า “มีมติร่วมกันว่าเมื่อคนทำให้วัสดุเหล่านี้เสถียร พวกมันจะเป็นโครงสร้างลูกบาศก์ในอุดมคติ” Doherty กล่าว “แต่สิ่งที่เราแสดงให้เห็นก็คือการเพิ่มสิ่งอื่นๆ เหล่านี้ พวกมันไม่ใช่ลูกบาศก์เลย มันบิดเบี้ยวเล็กน้อยมาก มีการบิดเบือนโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนมากซึ่งให้ความเสถียรโดยธรรมชาติที่อุณหภูมิห้อง”

การบิดเบือนนั้นน้อยมากจนไม่สามารถตรวจพบได้ก่อนหน้านี้ จนกระทั่ง Doherty และเพื่อนร่วมงานใช้เทคนิคการวัดโครงสร้างที่ละเอียดอ่อนซึ่งไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุ perovskite

ทีมงานได้ใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนแบบส่องกราด การเลี้ยวเบนของนาโนเอ็กซ์เรย์ และการสะท้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์เพื่อดูว่าเฟสที่เสถียรนี้เป็นอย่างไร

“เมื่อเราพบว่ามันเป็นการบิดเบี้ยวของโครงสร้างเล็กน้อยซึ่งทำให้เกิดความเสถียร เราก็มองหาวิธีที่จะทำให้สำเร็จในการเตรียมภาพยนตร์โดยไม่ต้องเพิ่มองค์ประกอบอื่นๆ ลงในส่วนผสม”

ผู้เขียนร่วม Satyawan Nagane ใช้โมเลกุลอินทรีย์ที่เรียกว่า Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) เป็นสารเติมแต่งในสารละลายสารตั้งต้นของ perovskite ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวสร้างเทมเพลตเพื่อนำ perovskite ไปสู่ระยะที่ต้องการตามรูปแบบ EDTA จับกับพื้นผิว FAPbI3 เพื่อให้มีผลการกำกับโครงสร้าง แต่ไม่ได้รวมเข้ากับโครงสร้าง FAPbI3

“ด้วยวิธีนี้ เราสามารถบรรลุช่องว่างแถบที่ต้องการได้ เนื่องจากเราไม่ได้เพิ่มอะไรพิเศษลงในวัสดุ มันเป็นเพียงแม่แบบที่จะนำทางการก่อตัวของฟิล์มที่มีโครงสร้างบิดเบี้ยว – และฟิล์มที่ได้จะมีความเสถียรอย่างยิ่ง” กล่าว นากาเนะ.

“ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถสร้างโครงสร้างที่บิดเบี้ยวเล็กน้อยในสารประกอบ FAPbI3 ที่เก่าแก่ โดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ ของสิ่งที่เป็นสารประกอบที่ใกล้สมบูรณ์แบบสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite” ผู้เขียนร่วม Dominik Kubicki จาก Cavendish Laboratory กล่าว ซึ่งปัจจุบันประจำอยู่ที่มหาวิทยาลัย Warwick

นักวิจัยหวังว่าการศึกษาขั้นพื้นฐานนี้จะช่วยปรับปรุงความเสถียรและประสิทธิภาพของ perovskite งานในอนาคตของพวกเขาจะเกี่ยวข้องกับการรวมแนวทางนี้เข้ากับอุปกรณ์ต้นแบบเพื่อสำรวจว่าเทคนิคนี้อาจช่วยให้พวกเขาบรรลุเซลล์สุริยะ perovskite ที่สมบูรณ์แบบได้อย่างไร

“ผลการวิจัยเหล่านี้เปลี่ยนกลยุทธ์การเพิ่มประสิทธิภาพและแนวทางการผลิตของเราสำหรับวัสดุเหล่านี้” ดร. แซม สแตรงค์ส ผู้เขียนอาวุโสจากแผนกวิศวกรรมเคมีและเทคโนโลยีชีวภาพของเคมบริดจ์กล่าว “แม้แต่กระเป๋าขนาดเล็กที่ไม่บิดเบี้ยวเล็กน้อยก็จะนำไปสู่การสูญเสียประสิทธิภาพ ดังนั้นสายการผลิตจะต้องมีการควบคุมที่แม่นยำมากเกี่ยวกับวิธีการและตำแหน่งที่ส่วนประกอบต่างๆ และสารเติมแต่งที่ ‘บิดเบือน’ ถูกสะสม ซึ่งจะทำให้มั่นใจได้ว่าความผิดเพี้ยนเล็กน้อยจะมีความสม่ำเสมอในทุกที่ โดยไม่มีข้อยกเว้น”

งานนี้เป็นความร่วมมือกับกลุ่มของ Paul Midgley ในภาควิชาวัสดุศาสตร์และ Clare Grey ใน Yusuf Hamied Department of Chemistry ที่ Cambridge, Diamond Light Source และ Electro Physical Science Imaging Center (ePSIC), Imperial College London, Yonsei University , มหาวิทยาลัย Wageningen และการวิจัย และมหาวิทยาลัยลีดส์

อ้างอิง:
Tiarnan AS Doherty et al. ‘เสถียร perovskites เฮไลด์เอียง-octahedra เสถียรยับยั้งการก่อตัวของขั้นตอนที่จำกัดประสิทธิภาพในท้องถิ่น. วิทยาศาสตร์ (2564). ดอย: 10.1126/science.abl4890

หน้าแรก