Wykorzystanie pierwiastków ziem rzadkich do przezwyciężenia ograniczeń ogniw słonecznych
Wykorzystanie pierwiastków ziem rzadkich do przezwyciężenia ograniczeń ogniw słonecznych
źródło: materiały AZOPerowskitowe ogniwa słoneczneOgniwa słoneczne perowskitowe mają przewagę nad obecną technologią ogniw słonecznych. Mają potencjał, aby być bardziej wydajne, są lekkie i tańsze niż inne warianty. W perowskitowym ogniwie słonecznym warstwa perowskitu jest umieszczona pomiędzy przezroczystą elektrodą z przodu i elektrodą odblaskową z tyłu ogniwa.Warstwy transportujące elektrody i transportujące dziury umieszczone są pomiędzy powierzchnią międzyfazową katody i anody, co ułatwia gromadzenie ładunku na elektrodach.Istnieją cztery klasyfikacje perowskitowych ogniw słonecznych w oparciu o strukturę morfologiczną i kolejność warstw warstwy transportującej ładunek: struktury regularne płaskie, odwrócone planarne, regularne mezoporowate i odwrócone struktury mezoporowate.Jednakże technologia ta ma kilka wad. Światło, wilgoć i tlen mogą powodować ich degradację, ich absorpcja może być niedopasowana, a także mogą powodować problemy z niepromienistą rekombinacją ładunku. Perowskity mogą ulegać korozji pod wpływem ciekłych elektrolitów, co prowadzi do problemów ze stabilnością.Aby zrealizować ich praktyczne zastosowania, należy wprowadzić ulepszenia w zakresie wydajności konwersji mocy i stabilności operacyjnej. Jednak ostatnie postępy technologiczne doprowadziły do powstania perowskitowych ogniw słonecznych o wydajności 25,5%, co oznacza, że nie są one daleko w tyle za konwencjonalnymi krzemowymi ogniwami fotowoltaicznymi.W tym celu zbadano możliwość zastosowania pierwiastków ziem rzadkich w perowskitowych ogniwach słonecznych. Posiadają właściwości fotofizyczne, które przezwyciężają te problemy. Zastosowanie ich w perowskitowych ogniwach słonecznych poprawi zatem ich właściwości, czyniąc je bardziej opłacalnymi do wdrażania na dużą skalę rozwiązań w zakresie czystej energii.Jak pierwiastki ziem rzadkich pomagają perowskitowym ogniwom słonecznymPierwiastki ziem rzadkich mają wiele korzystnych właściwości, które można wykorzystać do poprawy działania nowej generacji ogniw słonecznych. Po pierwsze, potencjały utleniania i redukcji w jonach metali ziem rzadkich są odwracalne, co ogranicza własne utlenianie i redukcję materiału docelowego. Dodatkowo tworzenie cienkowarstwowych można regulować poprzez dodanie tych pierwiastków poprzez sprzęganie ich zarówno z perowskitami, jak i tlenkami metali przenoszących ładunek.Ponadto strukturę fazową i właściwości optoelektroniczne można regulować poprzez substytucyjne osadzanie ich w sieci krystalicznej. Pasywację defektów można z powodzeniem osiągnąć poprzez osadzenie ich w materiale tarczy śródmiąższowo na granicach ziaren lub na powierzchni materiału.Co więcej, fotony podczerwieni i ultrafioletu można przekształcić w światło widzialne reagujące na perowskit dzięki obecności wielu energetycznych orbit przejściowych w jonach metali ziem rzadkich.Korzyści z tego są dwojakie: pozwala uniknąć uszkodzenia perowskitów pod wpływem światła o dużym natężeniu i rozszerza zakres odpowiedzi widmowej materiału. Zastosowanie pierwiastków ziem rzadkich znacznie poprawia stabilność i wydajność perowskitowych ogniw słonecznych.Modyfikowanie morfologii cienkich warstwJak wspomniano wcześniej, pierwiastki ziem rzadkich mogą modyfikować morfologię cienkich warstw składających się z tlenków metali. Dobrze udokumentowano, że morfologia leżącej pod spodem warstwy transportującej ładunek wpływa na morfologię warstwy perowskitu i jej kontakt z warstwą transportującą ładunek.Przykładowo domieszkowanie jonami metali ziem rzadkich zapobiega agregacji nanocząstek SnO2 mogących powodować defekty strukturalne, a także łagodzi powstawanie dużych kryształów NiOx, tworząc jednolitą i zwartą warstwę kryształów. Zatem przy domieszkowaniu pierwiastkami ziem rzadkich można uzyskać cienkie warstwy tych substancji bez wad.Dodatkowo warstwa rusztowania w ogniwach perowskitowych o strukturze mezoporowatej odgrywa ważną rolę w kontaktach perowskitu z warstwami transportującymi ładunek w ogniwach słonecznych. Nanocząstki w tych strukturach mogą wykazywać defekty morfologiczne i liczne granice ziaren.Prowadzi to do niekorzystnej i poważnej rekombinacji ładunków niepromienistych. Problemem jest także wypełnianie porów. Domieszkowanie jonami metali ziem rzadkich reguluje wzrost rusztowania i redukuje defekty, tworząc wyrównane i jednolite nanostruktury.Zapewniając ulepszenia struktury morfologicznej perowskitu i warstw transportujących ładunek, jony ziem rzadkich mogą poprawić ogólną wydajność i stabilność perowskitowych ogniw słonecznych, czyniąc je bardziej odpowiednimi do zastosowań komercyjnych na dużą skalę.PrzyszłośćNie można niedoceniać znaczenia perowskitowych ogniw słonecznych. Zapewnią one doskonałą zdolność wytwarzania energii przy znacznie niższych kosztach niż obecne na rynku ogniwa słoneczne na bazie krzemu. Badania wykazały, że domieszkowanie perowskitu jonami metali ziem rzadkich poprawia jego właściwości, co prowadzi do poprawy wydajności i stabilności. Oznacza to, że perowskitowe ogniwa słoneczne o zwiększonej wydajności są o krok bliżej do urzeczywistnienia.
