Η νέα Solar Tech επιτυγχάνει εμπορικά βιώσιμη διάρκεια ζωής

2
Η νέα Solar Tech επιτυγχάνει εμπορικά βιώσιμη διάρκεια ζωής

Ερευνητές της Princeton Engineering ανέπτυξαν το πρώτο ηλιακό στοιχείο περοβσκίτη με εμπορικά βιώσιμη διάρκεια ζωής, σηματοδοτώντας ένα σημαντικό ορόσημο για μια αναδυόμενη κατηγορία τεχνολογίας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ομάδα προβλέπει ότι η συσκευή τους μπορεί να έχει απόδοση πάνω από τα βιομηχανικά πρότυπα για περίπου 30 χρόνια, πολύ περισσότερα από τα 20 χρόνια που χρησιμοποιούνται ως όριο βιωσιμότητας για τα ηλιακά κύτταρα.

Ο Xiaoming Zhao, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Χημικής και Βιολογικής Μηχανικής, επιθεωρεί περοβσκίτες στο Loo Lab στις 7 Ιουνίου 2022. Κοιτάζοντας ένα εξαιρετικά σταθερό ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη υπό μεγέθυνση κατά τη διάρκεια μιας διαδικασίας επιταχυνόμενης γήρανσης, βοηθά τους ερευνητές να προβλέψουν την εκτεταμένη διάρκεια ζωής των προχωρημένων σχέδια. Φωτογραφία από τον Bumper DeJesus via πανεπιστήμιο Πρίνσετον.

Η συσκευή δεν είναι μόνο πολύ ανθεκτική, αλλά πληροί και κοινά πρότυπα απόδοσης. Είναι το πρώτο του είδους του που συναγωνίζεται την απόδοση των κυψελών με βάση το πυρίτιο, που κυριαρχούν στην αγορά από την εισαγωγή τους το 1954.

Οι περοβσκίτες είναι ημιαγωγοί με ειδική κρυσταλλική δομή που τους καθιστά κατάλληλους για τεχνολογία ηλιακών κυψελών. Μπορούν να κατασκευαστούν σε θερμοκρασία δωματίου, χρησιμοποιώντας πολύ λιγότερη ενέργεια από το πυρίτιο, καθιστώντας τα φθηνότερα και πιο βιώσιμα στην παραγωγή τους. Και ενώ το πυρίτιο είναι άκαμπτο και αδιαφανές, οι περοβσκίτες μπορούν να γίνουν εύκαμπτοι και διαφανείς, επεκτείνοντας την ηλιακή ενέργεια πολύ πέρα ​​από τα εμβληματικά πάνελ που κατοικούν σε λόφους και στέγες σε όλη την Αμερική.

Αλλά σε αντίθεση με το πυρίτιο, οι περοβσκίτες είναι διαβόητα εύθραυστοι. Τα πρώιμα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη (PSC), που δημιουργήθηκαν μεταξύ 2009 και 2012, διήρκεσαν μόνο λίγα λεπτά. Η προβλεπόμενη διάρκεια ζωής της νέας συσκευής αντιπροσωπεύει μια πενταπλάσια αύξηση σε σχέση με το προηγούμενο ρεκόρ, που σημειώθηκε από χαμηλότερη απόδοση PSC το 2017. (Αυτή η συσκευή λειτουργούσε υπό συνεχή φωτισμό σε θερμοκρασία δωματίου για ένα έτος. Η νέα συσκευή θα λειτουργούσε για πέντε χρόνια παρόμοιες εργαστηριακές συνθήκες.)

Η ομάδα του Πρίνστον, με επικεφαλής τον Λιν Λουη Theodora D. ’78 και ο William H. Walton III ’74 Καθηγητής Μηχανικής, αποκάλυψαν τη νέα τους συσκευή και τη νέα τους μέθοδο για δοκιμές σε χαρτί Δημοσιεύθηκε στις 16 Ιουνίου στο Επιστήμη.

Ο Loo είπε ότι ο σχεδιασμός που σημείωσε ρεκόρ έχει τονίσει τις ανθεκτικές δυνατότητες των PSC, ειδικά ως έναν τρόπο να ωθήσει την τεχνολογία των ηλιακών κυττάρων πέρα ​​από τα όρια του πυριτίου. Αλλά επεσήμανε επίσης πέρα ​​από το αποτέλεσμα της επικεφαλίδας τη νέα τεχνική επιταχυνόμενης γήρανσης της ομάδας της ως τη βαθύτερη σημασία του έργου.

«Μπορεί να έχουμε το ρεκόρ σήμερα», είπε, «αλλά κάποιος άλλος θα έρθει μαζί με έναν καλύτερο δίσκο αύριο. Το πραγματικά συναρπαστικό είναι ότι τώρα έχουμε έναν τρόπο να δοκιμάσουμε αυτές τις συσκευές και να ξέρουμε πώς θα αποδώσουν μακροπρόθεσμα».

Λόγω της γνωστής αδυναμίας των περοβσκιτών, οι μακροχρόνιες δοκιμές δεν έχουν απασχολήσει ιδιαίτερα μέχρι τώρα. Όμως, καθώς οι συσκευές βελτιώνονται και διαρκούν περισσότερο, η δοκιμή ενός σχεδίου έναντι ενός άλλου θα γίνει κρίσιμη για την ανάπτυξη ανθεκτικών, φιλικών προς τον καταναλωτή τεχνολογιών.

«Αυτή η εργασία είναι πιθανό να είναι ένα πρωτότυπο για όποιον θέλει να αναλύσει την απόδοση στο σημείο τομής της απόδοσης και της σταθερότητας», δήλωσε ο Joseph Berry, ανώτερος συνεργάτης στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας που ειδικεύεται στη φυσική των ηλιακών κυψελών και ο οποίος δεν ήταν που συμμετέχουν σε αυτή τη μελέτη. «Παράγοντας ένα πρωτότυπο για τη μελέτη της σταθερότητας και δείχνοντας τι μπορεί να προεκταθεί [through accelerated testing], κάνει τη δουλειά που όλοι θέλουν να δουν πριν ξεκινήσουμε τις δοκιμές πεδίου σε κλίμακα. Σας επιτρέπει να προβάλλετε με τρόπο που είναι πραγματικά εντυπωσιακός».

Αν και η απόδοση έχει επιταχυνθεί με αξιοσημείωτο ρυθμό την τελευταία δεκαετία, είπε ο Berry, η σταθερότητα αυτών των συσκευών έχει βελτιωθεί πιο αργά. Για να διαδοθούν ευρέως και να κυκλοφορήσουν από τη βιομηχανία, οι δοκιμές θα πρέπει να γίνουν πιο εξελιγμένες. Εκεί έρχεται η επιταχυνόμενη διαδικασία γήρανσης του Loo.

«Αυτά τα είδη δοκιμών θα είναι ολοένα και πιο σημαντικά», είπε ο Loo. «Μπορείτε να φτιάξετε τα πιο αποδοτικά ηλιακά κύτταρα, αλλά δεν έχει σημασία αν δεν είναι σταθερά».

Πώς έφτασαν εδώ

Στις αρχές του 2020, η ομάδα του Loo εργαζόταν σε διάφορες αρχιτεκτονικές συσκευών που θα διατηρούσαν σχετικά ισχυρή απόδοση – μετατρέποντας αρκετό ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια για να τις κάνουν πολύτιμες – και θα επιβίωναν από την επίθεση θερμότητας, φωτός και υγρασίας που βομβαρδίζουν ένα ηλιακό κύτταρο κατά τη διάρκεια της ζωής του.

Μια σειρά από σχέδια ηλιακών κυψελών περοβσκίτης βρίσκονται κάτω από έντονο φως σε υψηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια μιας επιταχυνόμενης διαδικασίας γήρανσης και δοκιμών που αναπτύχθηκε από ερευνητές της Princeton Engineering. Η νέα προσέγγιση δοκιμών σηματοδοτεί ένα σημαντικό βήμα προς την εμπορευματοποίηση προηγμένων ηλιακών κυψελών. Φωτογραφία από τον Bumper DeJesus via πανεπιστήμιο Πρίνσετον

Xiaoming Zhao, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Loo στο Κέντρο Andlinger για την Ενέργεια και το Περιβάλλον, είχε δουλέψει σε μια σειρά από σχέδια με συναδέλφους. Οι προσπάθειες τοποθετήθηκαν διαφορετικά υλικά για να βελτιστοποιηθεί η απορρόφηση του φωτός προστατεύοντας παράλληλα τις πιο εύθραυστες περιοχές από την έκθεση. Ανέπτυξαν ένα εξαιρετικά λεπτό στρώμα κάλυψης μεταξύ δύο κρίσιμων συστατικών: το στρώμα απορρόφησης περοβσκίτη και ένα στρώμα μεταφοράς φορτίου κατασκευασμένο από χαλκό άλας και άλλες ουσίες. Ο στόχος ήταν να μην καεί ο ημιαγωγός περοβσκίτης μέσα σε λίγες εβδομάδες ή μήνες, ο κανόνας εκείνη την εποχή.

Είναι δύσκολο να καταλάβουμε πόσο λεπτό είναι αυτό το στρώμα κάλυψης. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τον όρο 2D για να το περιγράψουν, δηλαδή δύο διαστάσεις, όπως σε κάτι που δεν έχει καθόλου πάχος. Στην πραγματικότητα, έχει πάχος μόνο μερικών ατόμων — περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές μικρότερο από το παραμικρό πράγμα που μπορεί να δει ένα ανθρώπινο μάτι. Αν και η ιδέα ενός στρώματος κάλυψης 2D δεν είναι νέα, εξακολουθεί να θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη, αναδυόμενη τεχνική. Οι επιστήμονες στο NREL έχουν δείξει ότι τα στρώματα 2D μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση σε μεγάλες αποστάσεις, αλλά κανείς δεν είχε αναπτύξει μια συσκευή που ωθούσε τους περοβσκίτες οπουδήποτε κοντά στο εμπορικό κατώφλι μιας 20ετούς ζωής.

Ο Zhao και οι συνεργάτες του πέρασαν από δεκάδες μεταθέσεις αυτών των σχεδίων, μετατοπίζοντας μικρές λεπτομέρειες στη γεωμετρία, διαφοροποιώντας τον αριθμό των στρωμάτων και δοκιμάζοντας δεκάδες συνδυασμούς υλικών. Κάθε σχέδιο μπήκε στο κουτί φωτός, όπου μπορούσαν να ακτινοβολήσουν τις ευαίσθητες συσκευές σε αδυσώπητο έντονο φως και να μετρήσουν την πτώση της απόδοσής τους με την πάροδο του χρόνου.

Το φθινόπωρο εκείνου του έτους, καθώς το πρώτο κύμα της πανδημίας υποχώρησε και οι ερευνητές επέστρεψαν στα εργαστήριά τους για να κάνουν τα πειράματά τους σε προσεκτικά συντονισμένες βάρδιες, ο Zhao παρατήρησε κάτι περίεργο στα δεδομένα. Ένα σύνολο συσκευών φαινόταν να λειτουργεί ακόμα κοντά στην κορυφαία του απόδοση.

«Υπήρξε ουσιαστικά μηδενική πτώση μετά από σχεδόν μισό χρόνο», είπε.

Τότε κατάλαβε ότι χρειαζόταν έναν τρόπο να δοκιμάσει τη συσκευή του πιο γρήγορα από όσο του επέτρεπε το πείραμά του σε πραγματικό χρόνο.

«Η διάρκεια ζωής που θέλουμε είναι περίπου 30 χρόνια, αλλά δεν μπορείτε να χρειαστείτε 30 χρόνια για να δοκιμάσετε τη συσκευή σας», είπε ο Zhao. «Χρειαζόμαστε λοιπόν κάποιον τρόπο να προβλέψουμε αυτή τη διάρκεια ζωής μέσα σε ένα λογικό χρονικό πλαίσιο. Γι‘ αυτό είναι πολύ σημαντική αυτή η επιταχυνόμενη γήρανση».

Η νέα μέθοδος δοκιμών επιταχύνει τη διαδικασία γήρανσης φωτίζοντας τη συσκευή ενώ την εκτοξεύει με θερμότητα. Αυτή η διαδικασία επιταχύνει αυτό που θα συνέβαινε φυσικά μετά από χρόνια τακτικής έκθεσης. Οι ερευνητές επέλεξαν τέσσερις θερμοκρασίες γήρανσης και μέτρησαν τα αποτελέσματα σε αυτές τις τέσσερις διαφορετικές ροές δεδομένων, από τη βασική θερμοκρασία μιας τυπικής καλοκαιρινής ημέρας έως ένα άκρο Φαρενάιτ, υψηλότερο από το σημείο βρασμού του νερού.

Στη συνέχεια προέκτασαν από τα συνδυασμένα δεδομένα και προέβλεψαν την απόδοση της συσκευής σε θερμοκρασία δωματίου για δεκάδες χιλιάδες ώρες συνεχούς φωτισμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν μια συσκευή που θα είχε πάνω από το 80 τοις εκατό της μέγιστης απόδοσης της υπό συνεχή φωτισμό για τουλάχιστον πέντε χρόνια σε μέση θερμοκρασία 95 βαθμών Φαρενάιτ. Χρησιμοποιώντας τυπικές μετρήσεις μετατροπής, ο Loo είπε ότι αυτό ισοδυναμεί με 30 χρόνια λειτουργίας σε εξωτερικούς χώρους σε μια περιοχή όπως το Πρίνστον του NJ.

Ο Berry του NREL συμφώνησε. «Είναι πολύ αξιόπιστο», είπε. «Κάποιοι εξακολουθούν να θέλουν να το δουν να παίζει. Αλλά αυτή είναι πολύ πιο αξιόπιστη επιστήμη από πολλές άλλες προσπάθειες πρόβλεψης».

Ο Μάικλ Τζόρνταν των ηλιακών κυττάρων

Οι ερευνητές κατασκεύασαν τη συσκευή τους με βάση τον περοβσκίτη από στρώματα που εκτελούν διαφορετικές εργασίες, συμπεριλαμβανομένου ενός καινοτόμου εξαιρετικά λεπτού στρώματος που προστατεύει τα πιο ευαίσθητα στοιχεία. Έπειτα φώτισαν τη συσκευή κάτω από έντονο φως και την εκτόξευσαν με υπερβολική θερμότητα για να καταλάβουν πώς θα λειτουργούσε για δεκάδες χιλιάδες ώρες έκθεσης. Το αποτέλεσμα ήταν μια συσκευή ρεκόρ και μια πρωτοποριακή μέθοδος παλαίωσης και δοκιμής. Κινούμενα σχέδια από τον Bumper DeJesus, μέσω πανεπιστήμιο Πρίνσετον.

Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite πρωτοπαρουσιάστηκαν το 2006, με τις πρώτες δημοσιευμένες συσκευές να ακολούθησαν το 2009. Μερικές από τις πρώτες συσκευές διήρκεσαν μόνο δευτερόλεπτα. Άλλα λεπτά. Στη δεκαετία του 2010, η διάρκεια ζωής της συσκευής αυξήθηκε σε ημέρες και εβδομάδες και τελικά μήνες. Στη συνέχεια, το 2017, μια ομάδα από την Ελβετία δημοσίευσε μια πρωτοποριακή εργασία για ένα PSC που διήρκεσε για έναν ολόκληρο χρόνο συνεχούς φωτισμού.

Με επικεφαλής τον μεταδιδακτορικό ερευνητή Xiaoming Zhao (κέντρο), μηχανικοί στο εργαστήριο του καθηγητή Lynn Loo δοκίμασαν δεκάδες μεταθέσεις συνδυασμών υλικών και σχεδιασμού για να προσπαθήσουν να βελτιώσουν τη διάρκεια ζωής των συσκευών τους. Ο Rudolph Holley, III (αριστερά), μεταπτυχιακός φοιτητής και ο Quinn Burlingame (δεξιά), μεταδιδακτορικός ερευνητής, συνέβαλαν. Φωτογραφία από τον Bumper DeJesus via πανεπιστήμιο Πρίνσετον.

Εν τω μεταξύ, η αποτελεσματικότητα αυτών των συσκευών έχει εκτοξευθεί στα ύψη την ίδια περίοδο. Ενώ το πρώτο PSC έδειξε απόδοση μετατροπής ισχύος μικρότερη από 4 τοις εκατό, οι ερευνητές αύξησαν αυτή τη μέτρηση σχεδόν δεκαπλασιάστηκε σε τόσα χρόνια. Ήταν η ταχύτερη βελτίωση που είχαν δει οι επιστήμονες σε οποιαδήποτε κατηγορία τεχνολογίας ανανεώσιμων πηγών ενέργειας μέχρι σήμερα.

Γιατί λοιπόν η ώθηση για περοβσκίτες; Ο Berry είπε ότι ένας συνδυασμός πρόσφατων προόδων τα καθιστά μοναδικά επιθυμητά: νέες υψηλές αποδόσεις, μια εξαιρετική «συντονισιμότητα» που επιτρέπει στους επιστήμονες να κάνουν πολύ συγκεκριμένες εφαρμογές, την ικανότητα να τις κατασκευάζουν τοπικά με χαμηλές εισροές ενέργειας και τώρα μια αξιόπιστη πρόβλεψη εκτεταμένης διάρκειας ζωής σε συνδυασμό. με μια εξελιγμένη διαδικασία γήρανσης για να δοκιμάσετε ένα ευρύ φάσμα σχεδίων.

Ο Loo είπε ότι δεν είναι ότι τα PSC θα αντικαταστήσουν τις συσκευές πυριτίου τόσο πολύ που η νέα τεχνολογία θα συμπληρώσει τις παλιές, καθιστώντας τους ηλιακούς συλλέκτες ακόμα φθηνότερους, πιο αποδοτικούς και πιο ανθεκτικούς από ό,τι είναι τώρα και επεκτείνοντας την ηλιακή ενέργεια σε ανείπωτους νέους τομείς της σύγχρονης ζωής. Για παράδειγμα, η ομάδα της έδειξε πρόσφατα ένα εντελώς διάφανη μεμβράνη περοβσκίτη (με διαφορετική χημεία) που μπορούν να μετατρέψουν τα παράθυρα σε συσκευές παραγωγής ενέργειας χωρίς να αλλάξουν την εμφάνισή τους. Άλλες ομάδες έχουν βρει τρόπους για να εκτυπώνουν φωτοβολταϊκά μελάνια χρησιμοποιώντας περοβσκίτες, επιτρέποντας τους formfactors που οι επιστήμονες μόλις τώρα ονειρεύονται.

Αλλά το κύριο πλεονέκτημα μακροπρόθεσμα, σύμφωνα με το Berry και το Loo: Οι περοβσκίτες μπορούν να κατασκευαστούν σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ το πυρίτιο σφυρηλατείται στους 3000 βαθμούς Φαρενάιτ περίπου. Αυτή η ενέργεια πρέπει να προέρχεται από κάπου, και αυτή τη στιγμή αυτό σημαίνει ότι καίμε πολλά ορυκτά καύσιμα.

Ο Μπέρι πρόσθεσε το εξής: Επειδή οι επιστήμονες μπορούν να συντονίσουν τις ιδιότητες του περοβσκίτη εύκολα και ευρέως, επιτρέπουν σε διαφορετικές πλατφόρμες να συνεργάζονται ομαλά. Αυτό θα μπορούσε να είναι το κλειδί στο πυρίτιο γάμου με τις αναδυόμενες πλατφόρμες όπως τα φωτοβολταϊκά λεπτής μεμβράνης και τα οργανικά φωτοβολταϊκά, τα οποία έχουν επίσης σημειώσει μεγάλη πρόοδο τα τελευταία χρόνια.

«Είναι κάτι σαν τον Μάικλ Τζόρνταν στο γήπεδο μπάσκετ», είπε. Υπέροχο από μόνο του, αλλά κάνει και όλους τους άλλους παίκτες καλύτερους.

Η εργασία «Επιταχυνόμενη γήρανση των ηλιακών κυττάρων περοβσκίτη εξ ολοκλήρου ανόργανων, σταθεροποιημένων στη διεπαφή» δημοσιεύτηκε με την υποστήριξη του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών. το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, μέσω του Εθνικού Εργαστηρίου Brookhaven· ο Τομέας Στρατηγικής Έρευνας της Σουηδικής Κυβέρνησης στην Επιστήμη των Υλικών για τα Λειτουργικά Υλικά. και το Κέντρο Απεικόνισης και Ανάλυσης του Πρίνστον. Εκτός από τους Loo και Zhao, οι συνεισφέροντες συγγραφείς περιλαμβάνουν τους Tianjun Liu και Feng Gao, και οι δύο από το Πανεπιστήμιο Linköping. και οι Tianran Liu, Quinn C. Burlingame, Rudolph Holley III, Guangming Cheng και Nan Yao, όλοι από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον

Του Σκοτ ​​Λυών. Άρθρο ευγενική προσφορά του Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου Πρίνστον.


 

Δείτε τον ολοκαίνουργιο, ολοκληρωμένο οδηγό μας για ηλεκτρονικά ποδήλατα:


 

Εκτιμάτε την πρωτοτυπία και την κάλυψη ειδήσεων καθαρής τεχνολογίας της CleanTechnica; Εξετάστε το ενδεχόμενο να γίνετε Μέλος, Υποστηρικτής, Τεχνικός ή Πρεσβευτής της CleanTechnica — ή προστάτης στο Πατρέων.


 

Έχετε μια συμβουλή για την CleanTechnica, θέλετε να διαφημιστείτε ή θέλετε να προτείνετε έναν επισκέπτη για το podcast CleanTech Talk; Επικοινωνήστε μαζί μας εδώ.

Διαφήμιση




Schreibe einen Kommentar