Perovskit Güneş Hücreleri: Uzun Vadeli Kararlılığın Anahtarı

Perovskit güneş pilleri üretimi ucuz ve oldukça verimlidir. Ancak gerçek hava koşullarında dış mekanlarda kullanıldıklarında ne kadar süre stabil kalacakları hala tartışmalıdır. Bu konu şu anda Prof. Antonio Abate liderliğindeki uluslararası bir işbirliğiyle Nature Reviews Materials dergisinde ele alınıyor. Araştırmacılar, tekrarlanan termal döngülerin perovskit güneş hücrelerinin mikro yapıları ve farklı katmanları arasındaki etkileşimler üzerindeki etkilerini araştırdılar. Sonuç: Metal halide perovskitlerin bozunmasında belirleyici faktör termal strestir. Bu, perovskit güneş hücrelerinin uzun vadeli kararlılığını özel olarak artırmaya yönelik stratejiler türetmek için kullanılabilir.

Perovskitler, güneş pillerinde enerji dönüşümü için ideal olan yarı iletken özelliklere sahip bir malzeme sınıfıdır: Bunların en iyisi olan metal halide perovskitler, halihazırda %27'ye varan verimlilik sağlıyor. Bu tür ince film güneş hücrelerinin üretimi son derece az malzeme ve enerji gerektirdiğinden, güneş enerjisi önemli ölçüde daha ucuz hale gelebilir. Ancak dış mekanlarda kullanıldığında güneş modüllerinin en az 20-30 yıl boyunca neredeyse sabit bir verim sağlaması gerekiyor. Ve perovskit malzemelerde hala geliştirilebilecek çok fazla alan var.

Prof. Antonio Abate liderliğindeki uluslararası bir araştırma işbirliği, yıllar süren çalışmalarının sonuçlarını saygın Nature Reviews Materials dergisinde bir derleme makalesinde yayınladı. Çin'deki Henan Üniversitesi'nden Prof. Meng Li liderliğindeki bir ekip ve İtalya, İspanya, İngiltere, İsviçre ve Almanya'daki diğer ortaklarla birlikte, termal streslerin metal halide perovskitlerinin bozunmasında belirleyici faktör olduğunu gösterdiler.

Abate, "Kapsülleme, hücreleri nemden ve atmosferik oksijenden etkili bir şekilde koruyabilmesine rağmen, dış mekanlarda kullanıldıklarında yine de gece gündüz ve mevsimler boyunca büyük sıcaklık dalgalanmalarına maruz kalıyorlar" diyor. Coğrafi koşullara bağlı olarak güneş hücrelerinin içindeki sıcaklık eksi 40 santigrat derece ile artı 100 santigrat derece (örneğin çölde) arasında değişebilmektedir.

Bunu simüle etmek için, çalışmadaki perovskit güneş hücreleri daha da uç sıcaklık farklılıklarına maruz bırakıldı: eksi 150 santigrat dereceden artı 150 santigrat dereceye, defalarca. Doktor. Guixiang Li (o zamanlar HZB'de doktora sonrası araştırmacı, şu anda Çin'deki Güneydoğu Üniversitesi'nde profesör), perovskit tabakasının içindeki mikro yapının döngüler sırasında nasıl değiştiğini ve komşu tabakalarla etkileşimlerin sıcaklık döngüleri boyunca ne ölçüde değiştiğini araştırdı.

Bu durum hücrenin performansını da düşürdü. Özellikle büyük sıcaklık dalgalanmaları, hem perovskit ince film içinde hem de farklı bitişik katmanlar arasında termal streslere neden oldu: “Bir perovskit güneş hücresinde, çok farklı malzemelerden yapılmış katmanlar mükemmel bir şekilde temas halinde olmalıdır; Abate, “Maalesef bu malzemeler genellikle çok farklı termal davranışlara sahip oluyor” diye açıklıyor. Örneğin plastikler ısıtıldıklarında büzülme eğilimindeyken, inorganik maddeler genleşme eğilimindedir. Sonuç olarak katmanlar arasındaki temas her döngüde daha da kötüleşiyor. Ekip ayrıca yerel faz geçişlerini ve elementlerin komşu katmanlara yayılmasını da araştırdı.

Araştırmacılar bundan yola çıkarak perovskit güneş hücrelerinin uzun vadeli kararlılığını artırmak için bir strateji geliştirdiler. Abate, “Termal stres anahtardır” diyor. Asıl amaç, perovskit yapıları ve bitişik katmanları, örneğin kristalin kalitesini artırarak, ama aynı zamanda uygun tampon katmanlar kullanarak, termal strese karşı daha kararlı hale getirmektir. Sıcaklık değişimleri sırasında kararlılığın düzgün ve doğru bir şekilde belirlenebilmesi için standart test protokollerine ihtiyaç vardır.