Ffynhonnell: news.northwestern.edu
Mae'r canfyddiadau, a gyhoeddwyd heddiw (Tach. 17) yn y cyfnodolyn Science, yn disgrifio ateb deuol-moleciwl i oresgyn colledion mewn effeithlonrwydd wrth i olau'r haul gael ei drawsnewid yn ynni. Trwy ymgorffori yn gyntaf, moleciwl i fynd i'r afael â rhywbeth o'r enw ailgyfuniad arwyneb, lle mae electronau'n cael eu colli pan fyddant yn cael eu dal gan ddiffygion - atomau coll ar yr wyneb, ac ail foleciwl i darfu ar ailgyfuno ar y rhyngwyneb rhwng haenau, llwyddodd y tîm i gyflawni Cynllun Adnewyddadwy Cenedlaethol. Effeithlonrwydd ardystiedig Energy Lab (NREL) o 25.1% pan gyrhaeddodd dulliau cynharach arbedion effeithlonrwydd o 24.09% yn unig.
"Mae technoleg solar Perovskite yn symud yn gyflym, ac mae pwyslais ymchwil a datblygu yn symud o'r swmp-amsugnwr i'r rhyngwynebau," meddai'r Athro Northwestern Ted Sargent. “Dyma’r pwynt hollbwysig i wella effeithlonrwydd a sefydlogrwydd ymhellach a dod â ni’n agosach at y llwybr addawol hwn at gynaeafu solar sy’n fwyfwy effeithlon.”
Sargent yw cyfarwyddwr cydweithredol Sefydliad Cynaliadwyedd ac Ynni Paula M. Trienens (ISEN gynt) ac mae’n ymchwilydd amlddisgyblaethol mewn cemeg deunyddiau a systemau ynni, gyda phenodiadau yn yr adran gemeg yng Ngholeg Celfyddydau a Gwyddorau Weinberg a’r adran peirianneg drydanol a chyfrifiadurol yn Ysgol Beirianneg McCormick.
Mae celloedd solar confensiynol yn cael eu gwneud o wafferi silicon purdeb uchel sy'n ynni-ddwys i'w cynhyrchu ac yn gallu amsugno ystod sefydlog o'r sbectrwm solar yn unig.
Deunyddiau Perovskite y gellir addasu eu maint a'u cyfansoddiad i "diwnio" y tonfeddi golau y maent yn eu hamsugno, gan eu gwneud yn dechnoleg tandem ffafriol a chost-is o bosibl sy'n dod i'r amlwg.
Yn hanesyddol, mae celloedd solar perovskite wedi cael eu plagio gan heriau i wella effeithlonrwydd oherwydd eu hansefydlogrwydd cymharol. Dros yr ychydig flynyddoedd diwethaf, mae datblygiadau o labordy Sargent ac eraill wedi dod ag effeithlonrwydd celloedd solar perovskite i'r un ystod â'r hyn sy'n gyraeddadwy gyda silicon.
Yn yr ymchwil presennol, yn hytrach na cheisio helpu'r gell i amsugno mwy o olau'r haul, canolbwyntiodd y tîm ar y mater o gynnal a chadw electronau a gynhyrchir i gynyddu effeithlonrwydd. Pan fydd yr haen perovskite yn cysylltu â haen cludo electronau'r gell, mae electronau'n symud o un i'r llall. Ond gall yr electron symud yn ôl allan a llenwi, neu "ailgyfuno" gyda thyllau sy'n bodoli ar yr haen perovskite.
"Mae ailgyfuniad yn y rhyngwyneb yn gymhleth," meddai'r awdur cyntaf Cheng Liu, myfyriwr ôl-ddoethurol yn labordy Sargent, sy'n cael ei gyd-oruchwylio gan Athro Cemeg Charles E. ac Emma H. Morrison Mercouri Kanatzidis. "Mae'n anodd iawn defnyddio un math o foleciwl i fynd i'r afael ag ailgyfuniad cymhleth a chadw electronau, felly fe wnaethom ystyried pa gyfuniad o foleciwlau y gallem eu defnyddio i ddatrys y broblem yn fwy cynhwysfawr."
Mae ymchwil blaenorol gan dîm Sargent wedi canfod tystiolaeth bod un moleciwl, PDAI2, yn gwneud gwaith da yn datrys ailgyfuno rhyngwyneb. Nesaf roedd angen iddynt ddod o hyd i foleciwl a fyddai'n gweithio i atgyweirio diffygion arwyneb ac atal electronau rhag ailgyfuno â nhw.
Trwy ddod o hyd i'r mecanwaith a fyddai'n caniatáu i PDAI2 weithio gyda moleciwl eilaidd, culhaodd y tîm i mewn ar sylffwr, a allai ddisodli grwpiau carbon - yn nodweddiadol wael am atal electronau rhag symud - i orchuddio atomau coll ac atal ailgyfuno.
“Wrth fynd i’r afael â’r aneffeithlonrwydd craidd a geir mewn celloedd solar perovskite gwrthdro, sy’n bennaf oherwydd colledion ailgyfuno anymbelydrol, mae safon newydd mewn effeithlonrwydd celloedd solar yn cael ei gosod,” meddai’r Athro Mercouri Kanatzidis o Ogledd-orllewin Lloegr. "Mae hwn yn enghraifft wych o sut y gall maes cemeg deunyddiau uwch wella'n sylweddol effeithlonrwydd trosi ynni a hirhoedledd technolegau ffotofoltäig perovskite sy'n dod i'r amlwg."
Mae Kanatzidis yn awdurdod blaenllaw ym maes cemeg deunyddiau ac atebion ynni cynaliadwy, gyda phenodiadau deuol yn adran cemeg Weinberg ac adran gwyddor deunyddiau a pheirianneg McCormick.
“Rydym yn gyffrous bod ein strategaeth ddeufolecwlaidd yn dangos ei bod yn berthnasol i amrywiaeth o gyfansoddiadau perovskite, gan gynnwys y rhai sy’n addawol ar gyfer celloedd solar tandem,” meddai Bin Chen, athro cynorthwyol ymchwil cemeg a chyd-awdur ar y papur.
Datblygodd papur diweddar gan yr un grŵp a gyhoeddwyd yn Nature orchudd ar gyfer y swbstrad o dan yr haen perovskite i helpu'r gell i weithio ar dymheredd uwch am gyfnod hirach. Gall yr ateb hwn, yn ôl Liu, weithio ochr yn ochr â chanfyddiadau'r papur Gwyddoniaeth.
Er bod y tîm yn gobeithio y bydd eu canfyddiadau yn annog y gymuned wyddonol fwy i barhau i symud y gwaith yn ei flaen, byddant hwythau hefyd yn gweithio ar gamau dilynol.
"Rhaid i ni ddefnyddio strategaeth fwy hyblyg i ddatrys y broblem rhyngwyneb gymhleth," meddai Cheng. "Ni allwn ddefnyddio un math o foleciwl yn unig, fel y gwnaeth pobl yn flaenorol. Rydym yn defnyddio dau foleciwl i ddatrys dau fath o ailgyfuniad, ond rydym yn siŵr bod mwy o fathau o ailgyfuno sy'n gysylltiedig â diffygion yn y rhyngwyneb. Mae angen i ni geisio defnyddio mwy o foleciwlau i ddod at ei gilydd a gwneud yn siŵr bod pob moleciwl yn gweithio gyda'i gilydd heb ddinistrio swyddogaethau ei gilydd."
