Χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών για την υπέρβαση των περιορισμών των ηλιακών κυττάρων
Χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών για την υπέρβαση των περιορισμών των ηλιακών κυττάρων
πηγή:υλικά AZOΗλιακά κύτταρα περοβσκίτηΤα ηλιακά κύτταρα Perovskite έχουν πλεονεκτήματα σε σχέση με την τρέχουσα τεχνολογία ηλιακών κυψελών. Έχουν τη δυνατότητα να είναι πιο αποτελεσματικές, είναι ελαφριές και κοστίζουν λιγότερο από άλλες παραλλαγές. Σε ένα ηλιακό κύτταρο περοβσκίτη, το στρώμα περοβσκίτη βρίσκεται ανάμεσα σε ένα διαφανές ηλεκτρόδιο στο μπροστινό μέρος και ένα ανακλαστικό ηλεκτρόδιο στο πίσω μέρος του στοιχείου.Τα στρώματα μεταφοράς ηλεκτροδίων και μεταφοράς οπών εισάγονται μεταξύ των διεπαφών καθόδου και ανόδου, γεγονός που διευκολύνει τη συλλογή φορτίου στα ηλεκτρόδια.Υπάρχουν τέσσερις ταξινομήσεις των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη με βάση τη μορφολογική δομή και την ακολουθία στρωμάτων του στρώματος μεταφοράς φορτίου: κανονικές επίπεδες, ανεστραμμένες επίπεδες, κανονικές μεσοπορώδεις και ανεστραμμένες μεσοπορώδεις δομές.Ωστόσο, υπάρχουν αρκετά μειονεκτήματα με την τεχνολογία. Το φως, η υγρασία και το οξυγόνο μπορούν να προκαλέσουν την αποικοδόμησή τους, η απορρόφησή τους μπορεί να μην ταιριάζει και έχουν επίσης προβλήματα με τον ανασυνδυασμό μη ακτινοβολούμενου φορτίου. Οι περοβσκίτες μπορούν να διαβρωθούν από υγρούς ηλεκτρολύτες, οδηγώντας σε προβλήματα σταθερότητας.Για να υλοποιηθούν οι πρακτικές εφαρμογές τους, πρέπει να γίνουν βελτιώσεις στην απόδοση μετατροπής ισχύος και στη λειτουργική τους σταθερότητα. Ωστόσο, οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία οδήγησαν σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη με απόδοση 25,5%, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υστερούν πολύ από τα συμβατικά φωτοβολταϊκά κύτταρα πυριτίου.Για το σκοπό αυτό, έχουν διερευνηθεί στοιχεία σπάνιων γαιών για εφαρμογές σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη. Διαθέτουν φωτοφυσικές ιδιότητες που ξεπερνούν τα προβλήματα. Η χρήση τους σε ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη θα βελτιώσει επομένως τις ιδιότητές τους, καθιστώντας τα πιο βιώσιμα για μεγάλης κλίμακας εφαρμογή για λύσεις καθαρής ενέργειας.Πώς τα σπάνια γήινα στοιχεία βοηθούν τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτηΥπάρχουν πολλές πλεονεκτικές ιδιότητες που διαθέτουν τα στοιχεία σπάνιων γαιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της λειτουργίας αυτής της νέας γενιάς ηλιακών κυψελών. Πρώτον, τα δυναμικά οξείδωσης και αναγωγής στα ιόντα σπανίων γαιών είναι αναστρέψιμα, μειώνοντας την οξείδωση και αναγωγή του ίδιου του υλικού-στόχου. Επιπλέον, ο σχηματισμός λεπτής μεμβράνης μπορεί να ρυθμιστεί με την προσθήκη αυτών των στοιχείων συνδέοντάς τα τόσο με περοβσκίτες όσο και με οξείδια μετάλλων μεταφοράς φορτίου.Επιπλέον, η δομή φάσης και οι οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες μπορούν να ρυθμιστούν με υποκατάσταση ενσωμάτωσής τους στο κρυσταλλικό πλέγμα. Η παθητικοποίηση ελαττωμάτων μπορεί να επιτευχθεί με επιτυχία με την ενσωμάτωσή τους στο υλικό στόχο είτε ενδιάμεσα στα όρια των κόκκων είτε στην επιφάνεια του υλικού.Επιπλέον, τα υπέρυθρα και τα υπεριώδη φωτόνια μπορούν να μετατραπούν σε ορατό φως που ανταποκρίνεται στον περοβσκίτη λόγω της παρουσίας πολυάριθμων τροχιών ενεργειακής μετάβασης στα ιόντα των σπάνιων γαιών.Τα πλεονεκτήματα αυτού είναι διπλά: αποτρέπει την καταστροφή των περοβσκιτών από το φως υψηλής έντασης και επεκτείνει το εύρος φασματικής απόκρισης του υλικού. Η χρήση στοιχείων σπάνιων γαιών βελτιώνει σημαντικά τη σταθερότητα και την απόδοση των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη.Τροποποίηση μορφολογιών λεπτών υμενίωνΌπως αναφέρθηκε προηγουμένως, τα στοιχεία σπάνιων γαιών μπορούν να τροποποιήσουν τη μορφολογία των λεπτών υμενίων που αποτελούνται από οξείδια μετάλλων. Είναι καλά τεκμηριωμένο ότι η μορφολογία του υποκείμενου στρώματος μεταφοράς φορτίου επηρεάζει τη μορφολογία του στρώματος περοβσκίτη και την επαφή του με το στρώμα μεταφοράς φορτίου.Για παράδειγμα, το ντόπινγκ με ιόντα σπανίων γαιών αποτρέπει τη συσσώρευση νανοσωματιδίων SnO2 που μπορεί να προκαλέσουν δομικά ελαττώματα και επίσης μετριάζει το σχηματισμό μεγάλων κρυστάλλων NiOx, δημιουργώντας ένα ομοιόμορφο και συμπαγές στρώμα κρυστάλλων. Έτσι, μεμβράνες λεπτής στιβάδας αυτών των ουσιών χωρίς ελαττώματα μπορούν να επιτευχθούν με ντόπινγκ σπάνιων γαιών.Επιπλέον, το στρώμα ικριώματος σε κυψέλες περοβσκίτη που έχουν μεσοπορώδη δομή παίζει σημαντικό ρόλο στις επαφές μεταξύ του περοβσκίτη και του στρώματος μεταφοράς φορτίου στα ηλιακά κύτταρα. Τα νανοσωματίδια σε αυτές τις δομές μπορούν να εμφανίσουν μορφολογικά ελαττώματα και πολυάριθμα όρια κόκκων.Αυτό οδηγεί σε δυσμενή και σοβαρό μη ακτινοβόλο ανασυνδυασμό φορτίου. Το γέμισμα των πόρων είναι επίσης ένα θέμα. Το ντόπινγκ με ιόντα σπανίων γαιών ρυθμίζει την ανάπτυξη του ικριώματος και μειώνει τα ελαττώματα, δημιουργώντας ευθυγραμμισμένες και ομοιόμορφες νανοδομές.Παρέχοντας βελτιώσεις στη μορφολογική δομή των στρωμάτων περοβσκίτη και μεταφοράς φορτίου, τα ιόντα σπανίων γαιών μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική απόδοση και σταθερότητα των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για εμπορικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας.Το ΜέλλονΗ σημασία των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη δεν μπορεί να υποτιμηθεί. Θα παρέχουν ανώτερη ικανότητα παραγωγής ενέργειας με πολύ χαμηλότερο κόστος από τα σημερινά ηλιακά κύτταρα με βάση το πυρίτιο στην αγορά. Η μελέτη έδειξε ότι το ντόπινγκ περοβσκίτης με ιόντα σπανίων γαιών βελτιώνει τις ιδιότητές του, οδηγώντας σε βελτιώσεις στην αποτελεσματικότητα και τη σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη με βελτιωμένη απόδοση βρίσκονται ένα βήμα πιο κοντά στο να γίνουν πραγματικότητα.
