Ffynhonnell: utoronto.ca
Mae tîm o ymchwilwyr o Gyfadran Gwyddoniaeth Gymhwysol a Pheirianneg Prifysgol Torto wedi ysgogi mecaneg cwantwm i optimeiddio'r haen weithredol o fewn dyfais a elwir yn gell solar perovskite wedi'i gwrthdro – technoleg a allai arwain at gelloedd solar marchnad dorfol sy'n ffracsiwn o'r rhai sydd ar y farchnad ar hyn o bryd.
Ar hyn o bryd, mae bron pob cell solar masnachol yn cael ei wneud o silicon purdeb uchel, sy'n cymryd ynni sylweddol i'w gynhyrchu. Ond mae ymchwilwyr ledled y byd yn arbrofi gyda thechnolegau solar amgen y gellid eu cynhyrchu a'u gosod gyda llai o ynni ac am gost is.
Un o'r dewisiadau amgen hyn, sy'n cael ei astudio ynlabordy Grŵp Sargent, yn cael ei adnabod fel perovskite. Daw pŵer deunyddiau perovskite o'u strwythur crisial unigryw, sy'n eu galluogi i amsugno golau mewn haen denau iawn a'i droi'n drydan yn effeithlon.
"Gwneir grisialau perovskite o inc hylifol a'u gorchuddio ar arwynebau gan ddefnyddio technoleg sydd eisoes wedi'i hen sefydlu mewn diwydiant fel argraffu rholio i'r gofrestr," meddai Hao Chen, ymchwilydd ôl-ddoethurol yn labordy Sargent ac un o bedwar awdur cyd-arweiniolpapur newydd a gyhoeddwyd yn Nature Photonics.
"Oherwydd hyn, mae gan gelloedd solar perovskite y potensial i gael eu cynhyrchu ar raddfa fawr am gost ynni llawer is na silicon. Yr her yw bod celloedd solar perovskite ar hyn o bryd yn llusgo celloedd silicon traddodiadol mewn sefydlogrwydd. Yn yr astudiaeth hon, ein nod oedd cau'r bwlch hwnnw."
Mae Chen, ynghyd â'i awduron cyd-arweiniol – yr ymgeisydd PhD Sam Teale ac ymchwilwyr ôl-ddoethurol Bin Chen a Yi Hou – yn defnyddio strategaeth sy'n seiliedig ar strwythur celloedd solar wedi'i fuddsoddi.
Yn y rhan fwyaf o gelloedd solar perovskite prototeip, mae electronau'n gadael drwy electrod negyddol ar haen isaf y gell, gyda'r "tyllau" y maent yn eu gadael ar ôl gadael drwy electrod cadarnhaol ar y brig.
Mae gwrthdroi'r trefniant hwn yn galluogi defnyddio technegau gweithgynhyrchu eraill ac mae ymchwil yn y gorffennol wedi dangos y gall y rhain wella sefydlogrwydd yr haen perovskite. Ond mae'r newid yn costio o ran perfformiad.
"Mae'n anodd cael cyswllt da rhwng yr haen perovskite a'r electrod uchaf," meddai Chen. "Er mwyn datrys hyn, mae ymchwilwyr fel arfer yn mewnosod haen basio wedi'i gwneud o moleciwlau organig. Mae hynny'n gweithio'n dda iawn yn y cyfeiriadedd traddodiadol, oherwydd gall 'tyllau' fynd i'r dde drwy'r haen basio hon. Ond mae electronau'n cael eu rhwystro gan yr haen hon, felly pan fyddwch chi'n gwrthdro'r gell mae'n dod yn broblem fawr."
Gorchfygodd y tîm y cyfyngiad hwn drwy fanteisio ar fecaneg cwantwm – mae'r egwyddor ffisegol sy'n nodi ymddygiad deunyddiau ar raddfeydd bach iawn yn wahanol i'r hyn a welir mewn rhai mwy.
"Yn ein celloedd solar prototeip, mae'r perovskites wedi'u cyfyngu i haen denau iawn – dim ond un i dri grisial o uchder," meddai Teale. "Mae'r siâp dau ddimensiwn hwn yn ein galluogi i gael mynediad at eiddo sy'n gysylltiedig â mecaneg cwantwm. Gallwn reoli, er enghraifft, pa donfeddi o olau y mae'r perovskites yn eu hamsugno, neu sut mae electronau'n symud o fewn yr haen."
Defnyddiodd y tîm dechneg gemegol gyntaf a sefydlwyd gan grwpiau eraill i gynhyrchu arwyneb perovskite dau ddimensiwn ar ben eu cell solar. Roedd hyn yn galluogi'r haen perovskite i gael ei throsglwyddo ar ei phen ei hun, gan ddileu'r angen am yr haen organig yn gyfan gwbl.
Er mwyn goresgyn yr effaith blocio electronau, cynyddodd y tîm drwch yr haen perovskite o un grisial o uchder i dri. Roedd efelychiadau cyfrifiadurol wedi dangos y byddai'r newid hwn yn newid y dirwedd ynni yn ddigonol i alluogi electronau i ddianc i gylched allanol, rhagfynegiad a gadarnhawyd yn y labordy.
Mesurwyd effeithlonrwydd trosi pŵer celloedd y tîm ar 23.9 y cant, lefel nad oedd yn pylu ar ôl 1,000 o oriau o weithredu ar dymheredd ystafell. Hyd yn oed pan fyddant yn destun proses heneiddio garlam o safon diwydiant ar dymheredd hyd at 65 C, dim ond wyth y cant a ostyngodd y perfformiad ar ôl mwy na 500 awr o ddefnydd.
Bydd gwaith yn y dyfodol yn canolbwyntio ar gynyddu sefydlogrwydd y celloedd ymhellach, gan gynnwys o dan dymheredd uwch fyth. Hoffai'r tîm hefyd adeiladu celloedd gydag arwynebedd arwyneb mwy, gan mai dim ond tua phum milimetr sgwâr o ran maint yw'r celloedd presennol.
Ond, mae'r canlyniadau presennol yn argoeli'n dda ar gyfer dyfodol y dechnoleg solar amgen hon.
"Yn ein papur, rydym yn cymharu ein prototeipiau â chelloedd solar perovskite traddodiadol a gwrthdro sydd wedi'u cyhoeddi'n ddiweddar yn y llenyddiaeth wyddonol," meddai Teale.
"Mae'r cyfuniad o sefydlogrwydd uchel ac effeithlonrwydd uchel a gyflawnwyd gennym yn sefyll allan mewn gwirionedd. Dylem hefyd gofio mai dim ond ychydig ddegawdau oed yw technoleg perovskite, tra bod silicon wedi'i weithio ymlaen ers 70 mlynedd. Mae llawer o welliannau i ddod o hyd."