Bruk av sjeldne jordartsmetaller for å overvinne begrensningene til solceller
Perovskitt-solceller har fordeler i forhold til dagens solcelleteknologi. De har potensial til å være mer effektive, er lette og koster mindre enn andre varianter. I en perovskitt-solcelle er laget med perovskitt klemt mellom en gjennomsiktig elektrode foran og en reflekterende elektrode bak på cellen. Elektrodetransport- og hulltransportlag settes inn mellom katode- og anodegrensesnittene, noe som letter ladningsinnsamlingen ved elektrodene. Det er fire klassifiseringer av perovskitt-solceller basert på morfologi, struktur og lagsekvens i ladningstransportlaget: vanlige plane, inverterte plane, vanlige mesoporøse og inverterte mesoporøse strukturer. Teknologien har imidlertid flere ulemper. Lys, fuktighet og oksygen kan forårsake nedbrytning, absorpsjonen kan være ujevn, og de har også problemer med ikke-strålende ladningsrekombinasjon. Perovskitter kan korroderes av flytende elektrolytter, noe som fører til stabilitetsproblemer. For å realisere deres praktiske anvendelser må det gjøres forbedringer i effektiviteten av kraftkonvertering og driftsstabilitet. Nylige teknologiske fremskritt har imidlertid ført til perovskitt-solceller med en effektivitet på 25,5 %, noe som betyr at de ikke ligger langt bak konvensjonelle silisium-solceller. For dette formålet har sjeldne jordartsmetaller blitt utforsket for anvendelser i perovskitt-solceller. De har fotofysiske egenskaper som overvinner problemene. Bruk av dem i perovskitt-solceller vil derfor forbedre egenskapene deres, noe som gjør dem mer levedyktige for storskala implementering av rene energiløsninger. Hvordan sjeldne jordelementer hjelper perovskitt-solceller Det finnes mange fordelaktige egenskaper ved sjeldne jordartsmetaller som kan brukes til å forbedre funksjonen til denne nye generasjonen solceller. For det første er oksidasjons- og reduksjonspotensialene i sjeldne jordartsmetallioner reversible, noe som reduserer målmaterialets egen oksidasjon og reduksjon. I tillegg kan tynnfilmdannelsen reguleres ved tilsetning av disse elementene ved å koble dem med både perovskitter og ladningstransportmetalloksider. Videre kan fasestruktur og optoelektroniske egenskaper justeres ved å substitusjonelt legge dem inn i krystallgitteret. Defektpassivering kan oppnås ved å legge dem inn i målmaterialet enten interstitielt ved korngrensene eller på materialets overflate. Dessuten kan infrarøde og ultrafiolette fotoner omdannes til perovskitt-responsivt synlig lys på grunn av tilstedeværelsen av en rekke energiske overgangsbaner i de sjeldne jordartsmetallene. Fordelene med dette er todelt: det unngår at perovskittene blir skadet av høyintensivt lys og utvider materialets spektrale responsområde. Bruk av sjeldne jordartsmetaller forbedrer stabiliteten og effektiviteten til perovskitt-solceller betydelig. Modifisering av morfologier av tynne filmer Som nevnt tidligere kan sjeldne jordartsmetaller modifisere morfologien til tynne filmer som består av metalloksider. Det er godt dokumentert at morfologien til det underliggende ladningstransportlaget påvirker morfologien til perovskittlaget og dets kontakt med ladningstransportlaget. For eksempel forhindrer doping med sjeldne jordartsmetaller aggregering av SnO2-nanopartikler som kan forårsake strukturelle defekter, og reduserer også dannelsen av store NiOx-krystaller, noe som skaper et jevnt og kompakt lag av krystaller. Dermed kan tynne lagfilmer av disse stoffene uten defekter oppnås med doping av sjeldne jordartsmetaller. I tillegg spiller stillassjiktet i perovskittceller som har en mesoporøs struktur en viktig rolle i kontaktene mellom perovskitt- og ladningstransportlagene i solcellene. Nanopartiklene i disse strukturene kan vise morfologiske defekter og en rekke korngrenser. Dette fører til ugunstig og alvorlig ikke-strålende ladningsrekombinasjon. Porefylling er også et problem. Doping med sjeldne jordartsmetallioner regulerer veksten av stillaset og reduserer defekter, noe som skaper justerte og ensartede nanostrukturer. Ved å forbedre den morfologiske strukturen til perovskitt og ladningstransportlag, kan sjeldne jordartsioner forbedre den generelle ytelsen og stabiliteten til perovskitt-solceller, noe som gjør dem mer egnet for storskala kommersielle applikasjoner. Viktigheten av perovskitt-solceller kan ikke undervurderes. De vil gi overlegen energiproduksjonskapasitet til en mye lavere kostnad enn dagens silisiumbaserte solceller på markedet. Studien har vist at doping av perovskitt med sjeldne jordartsmetaller forbedrer egenskapene, noe som fører til forbedringer i effektivitet og stabilitet. Dette betyr at perovskitt-solceller med forbedret ytelse er ett skritt nærmere å bli en realitet.
Publisert: 04.07.2022 