Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Celule Solare cu Perovskiti Halogenaţi – valori record pentru România în ceea ce priveşte eficienţa de conversie fotovoltaică a energiei solare – 15,4 %

25 Mai 2017



Pe 30 aprilie 2017 s-a încheiat proiectul „Perovskiti pentru Tehnologii Eficiente de Conversie Fotovoltaică” (Perovskites for Photovoltaic Efficient Conversion Technology-PERPHECT). Proiectul a fost început la 1 iulie 2014, în cadrul Programului SEE, de un consorţiu de 6 organizaţii de cercetare, publice sau private, condus de Institutul Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor - INCDFM. Din consorţiu au mai făcut parte echipe de cercetare de la Universitatea din Oslo (Norvegia), Universităţile Islanda şi Reykjavik (Islanda), Universitatea din Bucureşti şi Optoelectronica 2001 SA (România).

Utilizarea celulelor fotovoltaice pentru conversia energiei solare este de departe cea mai curata metodă de a produce energie electrică. Aparatul în sine are zero emisii de gaze cu efect de seră. În prezent, piaţa de celule fotovoltaice este dominată de cele bazate pe Si cristalin (aproximativ 89% din piaţă, conform cu http://solarcellcentral.com/markets_page.html) şi pe filme subţiri (aproximativ 11% din piaţă, folosind în principal CdTe şi GIGS). Celulele solare hibride cum sunt cele pe bază de pigmenţi sensibili reprezintă acum un procent foarte mic din piaţă din cauza eficienţei reduse. Prin urmare, exploatarea eficientă a energiei solare gratuite, minimizând costurile şi dezvoltând aplicaţii la scară largă este în prezent un subiect de mare interes. Una dintre provocările principale ale comunităţii de cercetare este dezvoltarea de materiale, dispozitive şi sisteme fotovoltaice integrate mai ieftine, care să fie capabile să transforme energia solară direct în electricitate.

Proiectul PERPHECT a fost determinat, în mare parte, de progresul brusc şi neaşteptat raportat în toamna lui 2013 referitor la celulele solare în care se folosesc compuşi halogenaţi cu structura perovskitică ca absorbant de fotoni. Structura standard a unei celule solare perovskitice este redată schematic în Figura 1a. Ea este fabricată pe un suport de sticlă acoperit cu un oxid transparent (FTO sau ITO) peste care se depun succesiv: un strat compact şi unul mesoporos de TiO2 care acţionează ca material transportor de electroni, absorbantul de lumină care este un perovskit halogenat (CH3NH3PbI3), notat prescurtat şi ca MAPI, un material transportor de goluri (spiro-OMeTAD) şi un electrod de spate de Ag sau Au. La acel moment valoarea record a eficienţei conversiei fotovoltaice (PCE- Power Conversion Efficiency) a fost de ~15%, ea fiind obţinută pe o structură fabricată folosind o tehnică scumpă de depunere din stare de vapori. Progresul remarcabil obţinut în domeniul acestui tip de celule solare în perioada 2012-2013 a fost realizat folosind o abordare aleatorie, fără demararea unor studii fundamentale pentru înţelegerea proceselor fizice şi mecanismelor la nivel atomic ce determină eficienţa de conversie. Astfel, în privinţa perovskitlui halogenat mixt (CH3NH3PbI3 în care parte din I este înlocuit cu Cl), valorile similare ale distanţei de difuzie ale electronilor şi golurilor generau câteva întrebări fundamentale legate de acest compus, cum ar fi: (i) absorbţia luminii duce la generarea de electroni şi de goluri cu mobilităţi similare, la generarea de excitoni sau la ambele tipuri de stări excitate ?; (ii) de ce înlocuirea unei cantităţi mici de I cu Cl în perovskitul MAPI duce la o creştere aşa de accentuată a distanţelor de difuzie a purtătorilor de sarcină? Se formează un câmp electric intern care realizează o separare mai bună a perechilor electron-gol sau există centri de recombinare intrinseci care sunt anihilaţi de adaosul de Cl ? Apoi, în privinţa structurii întregi a celulei erau întrebări suplimentare care trebuiau adresate în viitorul apropriat: (iii) în ce măsură calitatea interfeţei între TiO2, respectiv a stratului spiro-OMeTAD şi materialul perovskitic hibrid influenţează separarea şi colectarea purtătorilor de sarcină şi cum poate fi aceasta controlată? (iv) ar fi un material feroelectric mai potrivit ca un transportator de sarcină? (v) poate fi electrodul transparent de ITO/FTO înlocuit cu materiale transparente mai accesibile sau cu nanoreţele metalice fără a afecta eficienţa de conversie? (vi) poate fi structura realizată la scară largă pentru aplicaţii practice prin folosirea de tehnologii cu cost redus, cum ar fi imprimarea?

Aceste întrebări au stat la baza acestui proiect şi eforturile de cercetare au fost efectuate cu precădere pentru înţelegerea proceselor de generare şi transport al purtătorilor de sarcină în absorbantul perovskitic halogenat precum şi în întreaga structură a celulei în vederea găsirii de soluţii pentru: (1) creşterea PCE şi a stabilităţii în timp a celulelor solare pe bază de perovskiti halizi; (2) înlocuirea electrodului transparent ITO sau FTO cu alte materiale oxidice transparente mai prietenoase cu mediul (In şi Sn sunt materiale deficitare, iar F este este dăunător mediului şi sănătăţii), respectiv cu reţele metalice care să permită realizarea de celule flexibile; (3) înlocuirea transportorului de electroni TiO2 cu alt oxid transparent, care să aibă structură cristalină perovskitică şi polarizare internă (un material feroelectric); (4) dezvoltarea unei tehnologii ieftine de realizare a celulelor solare de suprafeţe mai mari (dimensiune maximă A4), bazată pe tehnica de tip „printare” şi care să permită realizarea de celule pe suport flexibil.

Echipa proiectului, condusă de către Dr. Ioana Pintilie (cercetător principal gradul 1 la INCDFM), a reuşit performanţa de a obţine acest tip de celule solare cu eficienţe de conversie photovoltaică de 15,4 %, reprezentând valori PCE record pentru România. Creşterea PCE obţinută de-a lungul proiectului pe celule solare cu perovskiti standard este redată de Fig.1b. Inserat este indicată caracteristica curent-tensiune (J-V), sub iluminare 1 Sun, a unei celule cu PCE=15.4% determinată ca medie între valorile rezultate din curbele măsurate în direcţie reversă şi directă. Deşi valoarea PCE obţinută este mai mică decât recordul pe plan mondial (~21 %), stabilitatea în timp şi cu temperatura până la 700 C a celulelor solare perovskitice standard cu electrod de spate de Au (structura celulei: FTO/TiO2/CH3NH3PbI2.6Cl0.4/spiro-OMeTAD/Au) realizate în cadrul proiectului este sensibil îmbunătăţită, devenind comparabilă cu rezultate raportate recent de către grupuri din străinătate pe structuri mai complicate care introduc straturi de materiale suplimentare sau au acoperiri protective pentru a îmbunătăţi stabilitatea în timp (e.g. revista Science DOI: 10.1126/science.aah4046).

Astfel, după testări repetate, pentru mai mult de 3.000 de ore, s-a constatat că celulele solare produse în INCDFM au o scădere de maxim 10 % a valorii iniţiale a PCE, în condiţiile în care celulele, neîncapsulate, sunt păstrate în condiţii de umiditate scăzută (~10%). Principala cauză a degradării în timp şi a apariţiei histerezisului măsurat în caracteristicile J-V este migrarea iodului din perovskitul halogenat (proces redat în Fig. 1a). Folosirea Ag ca electrod duce la descompunerea ireversibilă a MAPI şi formarea compusului AgI pe electrodul de Ag, în acest caz celulele pierzându-şi aproape total eficienţa de conversie în decursul unei luni. Acest lucru nu se întâmplă însă în cazul electrodului de Au, acesta neformând compuşi stabili cu I. Prin înlocuirea electrodului de FTO cu nanoreţele metalice flexibile cele mai bune eficienţe medii obţinute au fost de PCE=10.2%. Un exemplu de reţea metalică folosită la fabricarea celulelor solare este redat în Fig.2a împreună cu caracteristica J-V a celulei. Un alt rezultat remarcabil este conceperea unei tehnologii ieftine de obţinere a celulelor, bazată pe tehnica de tip „printare”. În felul acesta se pot realiza celule solare de dimensiuni mai mari decât cele obţinute în laborator, inclusiv pe suport flexibil. Echipamentul de „printare” realizat în comun de către INCDFM şi Optoelectronica 2001 SA, precum şi un exemplu de celulă solară pe suport flexibil sunt redate în Fig. 2b.



Pe lângă realizările tehnologice deosebite, proiectul a avut o puternică componentă de cercetare fundamentală (e.g. DOI: 10.1016/j.solmat.2016.09.012, DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b02375, DOI: 10.1039/C5CP05466D, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b05823, DOI: 10.1016/j.solmat.2015.10.023, DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b00399, DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b04248) legată de funcţionarea şi evaluarea performanţelor acestui tip de celule, inclusiv în vederea înlocuirii TiO2 cu materiale feroelectrice şi a FTO cu oxizi transparenţi conductori, rezultând 11 lucrări publicate în jurnale ISI, cu un factor de impact cumulat de 48,5, o cerere de brevet de invenţie şi 4 teze de doctorat în curs de finalizare.

Rezultatele obţinute în cadrul proiectului PERPHECT asigură României o prezenţă competitivă în rândul ţărilor cu rezultate deosebite în dezvoltarea celulelor solare de tip perovskit, considerate a fi înlocuitoarele celulelor pe bază de Si. În plus, oferă oportunităţi noi de dezvoltare pentru sectorul de energii regenerabile din ţară prin faptul că tehnologia de producere a celulelor este ieftină, ceea ce poate duce la preţuri de vânzare accesibile pentru consumatorii obişnuiţi (conceptul de „casă verde”). Cercetarea în domeniul celulelor solare va continua în INCDFM, fiind una din priorităţile strategice din planul de dezvoltare al institutului.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite