เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite ที่พัฒนาโดยวิศวกรของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก นำนักวิจัยเข้าใกล้การทำลายเพดานประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ เสนอการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 10 สิงหาคมใน วารสารNature
เซลล์แสงอาทิตย์ชนิดใหม่นี้เป็นวัสดุ perovskite ที่มีมิติต่ำปราศจากสารตะกั่วและมีโครงสร้างผลึกแบบ superlattice ซึ่งถือเป็นครั้งแรกในภาคสนาม ความพิเศษของวัสดุนี้คือวัสดุแสดงไดนามิกของพาหะที่มีประสิทธิภาพในสามมิติ และการวางแนวอุปกรณ์สามารถตั้งฉากกับอิเล็กโทรดได้ วัสดุในกลุ่ม perovskites เฉพาะกลุ่มนี้แสดงไดนามิกดังกล่าวในสองมิติเท่านั้น ไม่เคยมีการรายงานเซลล์สุริยะในแนวตั้งฉาก
ด้วยโครงสร้างเฉพาะ เซลล์แสงอาทิตย์ชนิด superlattice ชนิดใหม่นี้มีประสิทธิภาพถึง 12.36% ซึ่งเป็นรายงานสูงสุดสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ชนิด perovskite ที่ไม่มีสารตะกั่วในมิติต่ำที่สุด (ประสิทธิภาพของเจ้าของสถิติเดิมคือ 8.82%) เซลล์แสงอาทิตย์ใหม่ยังมีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดที่ผิดปกติที่ 0.967 V ซึ่งสูงกว่าขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 0.802 V ผลลัพธ์ทั้งสองได้รับการรับรองอย่างอิสระ
แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดเป็นคุณสมบัติของเซลล์แสงอาทิตย์ที่ก่อให้เกิดประสิทธิภาพ ดังนั้นเซลล์แสงอาทิตย์ใหม่นี้ “อาจมีศักยภาพที่จะทำลายขีดจำกัดประสิทธิภาพตามทฤษฎีของเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน” Sheng Xu ผู้เขียนอาวุโสด้านการศึกษากล่าว ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนที่ UC ซานดิเอโก “วันหนึ่งอาจช่วยให้เราสามารถบรรลุประสิทธิภาพที่สูงขึ้นด้วยไฟฟ้าที่มากขึ้นจากแผงโซลาร์ที่มีอยู่ หรือผลิตไฟฟ้าในปริมาณเท่ากันจากแผงโซลาร์ขนาดเล็กที่มีต้นทุนต่ำลง”
นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดที่ได้รับการปรับปรุงของวัสดุอาจเกิดจากกลไกทางกายภาพแบบใหม่ที่เรียกว่าการผ่อนคลายของพาหะภายในวง โครงสร้าง superlattice ที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุช่วยให้ส่วนประกอบต่างๆ ของเซลล์สุริยะรวมตัวในทิศทางแนวตั้ง ซึ่งจะสร้างโครงสร้างแถบคู่ขนาดอะตอม ภายใต้แสง อิเลคตรอนที่ตื่นเต้นสามารถผ่อนคลายจากส่วนประกอบหนึ่ง (บริเวณแถบ bandgap ที่เล็กกว่า) ไปยังส่วนประกอบอื่น (บริเวณ bandgap ที่ใหญ่กว่า) ก่อนที่จะปรับสมดุลเพื่อเปลี่ยนระดับเฟอร์มีในเซลล์แสงอาทิตย์ superlattice สิ่งนี้มีส่วนทำให้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสูงขึ้น กระบวนการนี้ได้รับการตรวจสอบแล้วว่าเกี่ยวข้องกับศักยภาพในตัวเซลล์สุริยะ superlattice
นักวิจัยได้ใช้เทคนิค epitaxy เคมีเพื่อสร้างเครือข่ายคริสตัล superlattice เพื่อสร้างเซลล์สุริยะ perovskite มิติต่ำที่ไม่มีสารตะกั่ว โครงสร้างของเครือข่ายมีลักษณะเฉพาะที่ประกอบด้วยหลุมควอนตัมของ perovskite ที่มีการจัดแนวในแนวตั้งและกากบาท โครงสร้างแบบไขว้กันนี้ทำให้ไดนามิกของตัวพาของวัสดุ ซึ่งรวมถึงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน อายุการใช้งาน และเส้นทางการนำไฟฟ้าในสามมิติทั้งหมด—มีประสิทธิภาพมากกว่าการมีบ่อน้ำควอนตัมหลายหลุม เทคนิคเหล่านี้สามารถใช้เพื่อสร้าง perovskite superlattices ขององค์ประกอบต่างๆ
“superlattice perovskite นี้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการขนส่งของผู้ให้บริการที่ไม่เคยมีมาก่อนซึ่งนักวิจัยหลายคนในสาขานี้ฝันถึง” Yusheng Lei ผู้เขียนนำบทความนี้ซึ่งเป็นปริญญาเอกกล่าว นักศึกษาในห้องทดลองของ Xu ที่ UC San Diego และปัจจุบันเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด
superlattice ประกอบด้วยการแยกเฟสแบบนาโนวิศวกรรมระหว่างบริเวณ Sn-I ที่ผสม Bi 3+ และที่ไม่บุบสลายในหลุมควอนตัมหลายหลุมที่จัดแนวในแนวตั้ง องค์ประกอบนี้สร้างรูปแบบส่วนประกอบในระดับอะตอม ซึ่งจะทำให้ตัวพาร้อนสามารถข้ามอินเทอร์เฟซ heterostructural แบบหลายช่องควอนตัมได้อย่างรวดเร็วก่อนที่จะผ่อนคลาย ซึ่งเป็นความสำเร็จที่มักจะเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุผล นักวิจัยอธิบาย ที่นี่ เป็นไปได้เนื่องจากความยาวการแพร่กระจายสั้นที่จำเป็นในการข้ามส่วนต่อประสานเฮเทอโรโครงสร้าง
“งานนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้นให้กับวัสดุประเภทเพอร์รอฟสกี้ที่มีมิติต่ำไร้สารตะกั่ว” Xu กล่าว ก้าวไปข้างหน้า ทีมงานจะทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและขยายกระบวนการผลิตเพื่อสร้างผลึก superlattice ซึ่งขณะนี้ยังคงลำบากและท้าทาย Xu หวังที่จะมีส่วนร่วมกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อสร้างมาตรฐานให้กับกระบวนการ
กระดาษ: “Perovskite superlattices พร้อมไดนามิกของผู้ให้บริการที่มีประสิทธิภาพ”
งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดย Sloan Research Fellowship จาก Alfred P. Sloan Foundation, Lattimer Faculty Research Fellowship จาก UC San Diego, US Department of Energy และ Office of Naval Research การผลิตขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับงานนี้ได้ดำเนินการที่ San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) ที่ UC San Diego ซึ่งเป็นสมาชิกของ National Nanotechnology Coordinated Infrastructure ซึ่งได้รับการสนับสนุนจาก National Science Foundation (grant ECCS-1542148) งานนี้ดำเนินการในบางส่วนที่ Center for Integrated Nanotechnologies ซึ่งเป็น Office of Science User Facility ที่ดำเนินการให้กับกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา สำนักงานวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Los Alamos Stanford Nano Shared Facilities (SNSF, สนับสนุนโดย National Science Foundation ภายใต้รางวัล ECCS-1542152) และ Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL ซึ่งเป็นสถานอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ระดับชาติที่ดำเนินการโดยมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในนามของกระทรวงพลังงานสหรัฐ สำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐาน) งานคำนวณใช้ Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) ซึ่งได้รับการสนับสนุนโดย National Science Foundation (ให้สิทธิ์ OCI-1053575)
