Molekuláris ragasztó a megoldás a perovszkit napelemek gyenge pontjára

Óriási lehetőség, számos nehézséggel

A perovszkit napelemek alternatív kialakítása vetekszik a hagyományos szilíciumcellák hatékonyságával, ami egyik oka a népszerűségüknek. Emellett előnyük, hogy míg a szilíciumcellák előállításához drága berendezésekre és magas hőmérsékletre is szükség van, addig a perovszkit cellákat viszonylag olcsón és szobahőmérsékleten elő lehet állítani, ráadásul használat után könnyebb is őket újrahasznosítani. Ezek a tényezők, kiváló fényelnyelő képességével együtt, ígéretes megoldássá teszik a perovszkit napelemeket. 

Kritikus pont a versenyképességben

Ennél a technológiánál a rétegek különböző anyagokból készülnek, viszont a hőmérséklet-változás hatására ezek a rétegek eltérő sebességgel tágulhatnak. Ez fokozott mechanikai igénybevételt jelent, amitől a rétegek könnyen elválnak egymástól. A Brown Egyetem kutatói szerint ez egy lényegi probléma a cellák élettartama szempontjából, hiszen a rétegek érintkezési pontjain találkozik a fényelnyelő perovszkit film az elektron transzportréteggel, amely a cellán keresztül haladó áramot vezeti. 

A stabilitás a leggyengébb láncszem

A kutatásról készült tanulmány vezető szerzője szerint egy lánc mindig csak olyan erős, amennyire a leggyengébb láncszeme. Az eredmények pedig azt mutatják, hogy a rétegek kapcsolódása az a pont, amelyet meg kell erősíteni ahhoz, hogy a perovszkit napelemek valóban megbízhatóan működjenek. A szerző korábban, anyagtudósként, új kerámia bevonatokat dolgozott ki nagy teljesítményű szerkezetekhez, például repülőgép-hajtóművekhez. Ezekre a tapasztalatokra támaszkodva a tudós csoport elkezdte vizsgálni, hogy az önállóan összeállított egyrétegű vegyületek (SAM) hogyan segíthetik őket a perovszkit napelemeket sújtó stabilitási problémák kezelésében. 

Az SAM összefogja a felületeket

Amikor az önállóan összeállított egyrétegű vegyületeket, melyek a vegyületek egy nagy csoportja, felviszik egy felületre, akkor a molekulák egy rétegbe rendeződnek, de nem a felületre fekszenek fel, hanem felállnak, mint az apró tüskék. A megfelelő készítményt alkalmazva ezek a molekulák aztán erős kötéseket hoznak létre bármilyen anyagú felülettel. A napelem cellák ilyen SAM vegyületbe mártása lényegesen javíthatja a különböző anyagú rétegek tapadását. A tudósok szilícium- és jódatomokból készült vegyületek segítségével erős kötéseket tudtak létrehozni a fényelnyelő perovszkit film és az elektrontranszport réteg között.

A 25 év még messze van

A tesztek alapján ez az eljárás körülbelül 50 százalékkal növeli az interfész törésállóságát, ami azt jelenti, hogy az esetlegesen kialakuló repedések általában nem növekednek jelentősen, hiszen a vegyületek egyfajta molekuláris ragasztóként tartják össze a rétegeket. Úgy tűnik, ennek az eljárásnak köszönhetően jelentősen növekszik a perovszkit napelemek élettartama, melyek így körülbelül 1.300 órás használat után is megtartották csúcshatékonyságuk 80 százalékát, és várhatóan 4.000 óra használatig képesek is megtartani ezt a teljesítményt. A vegyületekkel nem kezelt cellák ezzel szemben csak 700 órás működést tudtak elérni. Azonban a szilíciumcellák általában 25 éves használatra készülnek, ezért a tudósoknak még tovább kell dolgozniuk azon, hogy a perovszkit cellák élettartama is megközelítse ezt a szintet.

A cellák belseje meggyőző eredményt mutatott

Újszerű lépés volt a kutatócsoporttól, hogy a tesztelések után feltörték a cellákat, hogy lássák, milyen hatással volt rájuk a használat. A vegyületek nélküli kontroll cellákban számos károsodást találtak, repedéseket és üregeket. A vegyületekkel kezelt interfészek azonban kifogástalan állapotban voltak, ami a módszer megdöbbentő hatékonyságát és jelentőségét bizonyítja. Mivel az eredmények azt mutatják, hogy a SAM vegyületek nem veszélyeztetik a cellák hatékonyságát, viszont javítják annak élettartamát, ez egy fontos lépcsőfok lehet ahhoz, hogy olcsó, hatékony és évtizedekig jól teljesítő cellákat lehessen gyártani. 

A cikk szerzője Papp Helga.