นักวิจัยพัฒนาวิธีใหม่เพิ่มประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์เปอโรฟไซต์สูงสุด 26%

นักวิจัยพัฒนาวิธีใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของเซลล์แสงอาทิตย์เปอโรฟไซต์ผ่านการควบคุมกระบวนการกึ่งนิเวศของวัสดุ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าขั้นเหลวชั่วคราวช่วยสร้างผลึกที่ใหญ่ขึ้น สม่ำเสมอขึ้น และลดข้อบกพร่อง ทีมนักวิจัยนำโดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียแคมปัสซานดิเอโก (UC San Diego) ใช้วิธีนี้ปรับปรุงเซลล์แสงอาทิตย์และไดโอดปล่อยแสงที่ใช้เปอโรฟไซต์เป็นฐาน อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพประมาณ 24% ถึง 26% ซึ่งเป็นค่าที่สูงที่สุดที่รายงานมาสำหรับอุปกรณ์เปอโรฟไซต์

เซลล์แสงอาทิตย์ที่ผลิตด้วยเทคนิคนี้ยังคงประสิทธิภาพเริ่มต้นส่วนใหญ่หลังทำงานต่อเนื่องภายใต้แสงแดดจำลองเป็นเวลาแปดสัปดาห์ ขั้นเหลวช่วยให้ผลึกเจริญเติบโต วัสดุเปอโรฟไซต์ช่วยทำให้เทคโนโลยีแสงอาทิตย์มีต้นทุนต่ำกว่าและให้ประสิทธิภาพสูง วัสดุเหล่านี้สามารถประมวลผลจากสารละลายของเหลวและสะสมเป็นฟิล์มบาง ซึ่งอาจลดพลังงานและความซับซ้อนในการผลิตเมื่อเทียบกับเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การผลิตฟิล์มเปอโรฟไซต์คุณภาพสูงยังคงเผชิญความท้าทาย ฟิล์มเหล่านี้มักประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กจำนวนมาก ขอบเขตระหว่างผลึกเรียกว่า "ขอบเม็ด" ข้อบกพร่องในพื้นที่เหล่านี้อาจทำให้สูญเสียพลังงาน ลดประสิทธิภาพอุปกรณ์ ปัญหานี้ชัดเจนขึ้นเมื่อผู้ผลิตพยายามผลิตแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ เนื่องจากการรักษาประสิทธิภาพบนพื้นที่กว้างเป็นเรื่องยาก

แก้ปัญหาการเจริญเติบโตของผลึก

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมนักวิจัยนำโดยศาสตราจารย์ David Fenning คณะเคมีและวิศวกรรมนาโน UC San Diego ร่วมมือกับเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัย Princeton และมหาวิทยาลัย Sungkyunkwan ของเกาหลีใต้ พวกเขาเติมสารเติมแต่งคือ ไบรด์สังกะสีและคลอไรด์เมทิลแอมโมเนียม ลงในสารละลายที่ใช้ผลิตวัสดุที่เรียกว่า "เปอโรฟไซต์ฮาไลด์" เมื่อความร้อน สารเติมแต่งเหล่านี้สร้างสารผสมจุดหลอมต่ำที่เรียกว่า "ยูเท็กติก" สารผสมนี้สร้างขั้นเหลวชั่วคราวรอบขอบเขตของผลึกที่กำลังเจริญเติบโต ทำให้ผลึกจัดเรียงใหม่และสร้างโครงสร้างที่เป็นระเบียบมากขึ้น

เมื่อความร้อนต่อเนื่อง คลอไรด์เมทิลแอมโมเนียมระเหยไป ทิ้งสังกะสีสะสมรอบขอบเขตผลึก สังกะสีที่เหลือช่วยกลั่นกรองข้อบกพร่องทางอิเล็กทรอนิกส์ที่อาจรบกวนการเคลื่อนที่ของประจุ "เราได้นำเสนอวิธีใหม่ในการควบคุมการเจริญเติบโตของเปอโรฟไซต์ฮาไลด์ผ่านการพัฒนาสารผสมเติมแต่งที่วิวัฒนาการอย่างกระตือรือร้นระหว่างกระบวนการกึ่งนิเวศ" Connor Dolan ผู้ร่วมเขียนรายงานคนแรก กล่าว เขาเป็นปริญญาเอกด้านเคมีและวิศวกรรมนาโนจากห้องปฏิบัติการ Fenning "สิ่งที่น่าสนใจกว่านั้น ผลิตภัณฑ์สุดท้ายกำจัดข้อบกพร่องที่จำกัดประสิทธิภาพที่ขอบเม็ดของผลึกกึ่งนิเวศ"

นักวิจัยใช้เทคนิคการถ่ายภาพเอ็กซ์เรย์ขั้นสูงสังเกตการเปลี่ยนแปลงของวัสดุในมาตราส่วนเล็กมาก การวัดแสดงว่าในระหว่างการให้ความร้อน พื้นที่รอบขอบเขตผลึกกลายเป็นแบบไม่มีระเบียบและคล้ายของเหลว แล้วกลับสู่สถานะเป็นระเบียบหลังจากเกลือเพิ่มเติมระเหยไปและการเจริญเติบโตของผลึกสิ้นสุดลง กระบวนการนี้สร้างผลึกขนาดใหญ่ขึ้น มีข้อบกพร่องโครงสร้างน้อยลง และการกระจายคุณสมบัติเคมีสม่ำเสมอขึ้น นักวิจัยยังสนใจว่าทำไมการเปลี่ยนสถานะของแข็ง-เหลว-แข็งนี้จึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิเดียวกัน

ศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพอุปกรณ์

โครงสร้างผลึกที่ปรับปรุงแล้วทำให้ประสิทธิภาพอุปกรณ์ดีขึ้น ในเซลล์แสงอาทิตย์ แสงแดดกระตุ้นอิเล็กตรอนและทิ้งช่องว่างที่มีประจุบวก ระยะเวลาที่คู่อิเล็กตรอน-ช่องว่างอยู่ร่วมได้ช่วยบ่งชี้ว่าวัสดุรองรับการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ได้มีประสิทธิภาพเพียงใด "เปอโรฟไซต์ที่ผลิตด้วยสารเติมแต่งที่สร้างจากยูเท็กติก มีคู่อิเล็กตรอน-ช่องว่างที่อยู่ร่วมนานที่สุดในครั้งแรกสำหรับครึ่งตัวนำพร้อมแบนด์กัปโดยตรงทุกชนิด ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวิธีนี้" Dolan ชี้ให้เห็น นักวิจัยยังทดสอบวิธีนี้กับองค์ประกอบเปอโรฟไซต์ที่แตกต่างกัน พบว่ามีผลในทุกระบบเคมีที่พวกเขาตรวจสอบ

"ทุกชนิดที่เราลองดูเหมือนจะได้ผล!" Dolan เสริมเติม "ฉันหวังว่ากลไกนี้จะมีโอกาสกลายเป็นสิ่งที่ใช้ได้ทั่วไปจริง และเป็นแพลตฟอร์มสำหรับนวัตกรรมเพิ่มเติมของชุมชนเปอโรฟไซต์" ทีมกำลังศึกษาสารผสมยูเท็กติกอื่นๆ เพื่อควบคุมกระบวนการกึ่งนิเวศให้ดีขึ้น นักวิจัยหวังว่าวิธีนี้จะให้กลยุทธ์ที่กว้างขึ้นในการผลิตวัสดุเปอโรฟไซต์คุณภาพสูง และรองรับการพัฒนาเทคโนโลยีแสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงที่สามารถผลิตในระดับมวลได้ การศึกษานี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Science

รายการ	ข้อกำหนด
ประสิทธิภาพ	24% - 26%
ระยะเวลาการทดสอบ	แปดสัปดาห์

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์เปอโรฟไซต์

เซลล์แสงอาทิตย์เปอโรฟไซต์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากศักยภาพประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำ การวิจัยครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าผ่านการควบคุมกระบวนการกึ่งนิเวศ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์ได้อย่างมีนัยสำคัญและลดข้อบกพร่อง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อการขับเคลื่อนการค้าส่งของเทคโนโลยีเปอโรฟไซต์ ด้วยความต้องการเทคโนโลยีแสงอาทิตย์ที่เพิ่มขึ้น วิธีใหม่นี้อาจกลายเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ประสิทธิภาพสูงในอนาคต ความพยายามต่อเนื่องของทีมนักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่ามีพื้นที่สำหรับนวัตกรรมเพิ่มเติมในการพัฒนาวัสดุเปอโรฟไซต์ในอนาคต