Ffynhonnell: oist.jp
Mae ymchwilwyr o Brifysgol Graddedig Sefydliad Gwyddoniaeth a Thechnoleg Okinawa (OIST) wedi creu modiwlau solar cenhedlaeth nesaf gydag effeithlonrwydd uchel a sefydlogrwydd da. Wedi'u gwneud gan ddefnyddio math o ddeunydd o'r enw perovskites, gall y modiwlau solar hyn gynnal perfformiad uchel am dros 2000 awr. Mae eu canfyddiadau, a adroddwyd ar 20 Gorffennaf 2020 yn y cyfnodolyn blaenllaw, Nature Energy, wedi bywiogi rhagolygon masnacheiddio.
Mae gan perovskites y potensial i chwyldroi'r diwydiant technoleg solar. Yn hyblyg ac yn ysgafn, maen nhw'n addo mwy o amlochredd na'r celloedd trwm ac anhyblyg sy'n seiliedig ar silicon sy'n dominyddu'r farchnad ar hyn o bryd. Ond mae'n rhaid i wyddonwyr oresgyn rhai rhwystrau mawr cyn y gellir masnacheiddio perovskites.
“Mae yna dri amod y mae’n rhaid i berovskites eu bodloni: rhaid iddyn nhw fod yn rhad i’w cynhyrchu, yn effeithlon iawn a bod â hyd oes hir,” meddai’r Athro Yabing Qi, pennaeth yr OISTUned Deunyddiau Ynni a Gwyddorau Arwyneb, a arweiniodd yr astudiaeth hon.
Arddangosiad o Gell Solar Perovskite
Mae'r gost o wneud celloedd solar perovskite yn isel, gan nad oes angen llawer o egni ar y deunyddiau crai rhad i'w prosesu. Ac mewn ychydig dros ddegawd, mae gwyddonwyr wedi cymryd camau breision wrth wella pa mor effeithiol y mae celloedd solar perovskite yn trosi golau haul i drydan, gyda lefelau effeithlonrwydd bellach yn debyg i lefelau celloedd sy'n seiliedig ar silicon.
Fodd bynnag, ar ôl cynyddu o gelloedd solar bach i fodiwlau solar mwy, mae lefelau effeithlonrwydd perovskites yn plymio. Mae hyn yn broblemus gan fod angen i dechnoleg solar fasnachol aros yn effeithlon ar faint paneli solar, sawl troedfedd o hyd.
“Mae cynyddu graddfa yn gofyn llawer; mae unrhyw ddiffygion yn y deunydd yn dod yn fwy amlwg felly mae angen deunyddiau o ansawdd uchel a thechnegau saernïo gwell arnoch chi, ”esboniodd Dr. Luis Ono, cyd-awdur yr astudiaeth hon.
(Chwith) Mae Uned Deunyddiau Ynni a Gwyddorau Arwyneb OIST yn gweithio gyda chelloedd solar a modiwlau o faint amrywiol. (Dde) Yn yr astudiaeth hon, bu'r gwyddonwyr yn gweithio gyda modiwlau solar 5 cm x 5 cm.
Mae ansefydlogrwydd perovskites yn fater allweddol arall sy'n destun ymchwiliad dwys. Mae angen i gelloedd solar masnachol allu gwrthsefyll blynyddoedd o weithredu ond ar hyn o bryd mae celloedd solar perovskite yn dirywio'n gyflym.
Adeiladu'r haenau
Aeth tîm yr Athro Qi, gyda chefnogaeth Rhaglen Prawf-Cysyniad Canolfan Datblygu Technoleg ac Arloesi OIST, i'r afael â'r materion sefydlogrwydd ac effeithlonrwydd hyn gan ddefnyddio dull newydd. Mae dyfeisiau solar perovskite yn cynnwys sawl haen - pob un â swyddogaeth benodol. Yn lle canolbwyntio ar un haen yn unig, fe wnaethant edrych ar berfformiad cyffredinol y ddyfais a sut mae'r haenau'n rhyngweithio â'i gilydd.
Mae'r haen perovskite gweithredol, sy'n amsugno golau haul, yng nghanol y ddyfais, wedi'i rhyngosod rhwng yr haenau eraill. Pan fydd ffotonau o olau yn taro'r haen perovskite, mae electronau â gwefr negyddol yn harneisio'r egni hwn ac yn “neidio” i lefel egni uwch, gan adael “tyllau” â gwefr bositif lle roedd yr electronau'n arfer bod. Yna caiff y taliadau hyn eu dargyfeirio i gyfeiriadau gwahanol i haenau cludo electronau a thyllau uwchben ac o dan yr haen weithredol. Mae hyn yn creu llif gwefr - neu drydan - a all adael y ddyfais solar trwy electrodau. Mae'r ddyfais hefyd wedi'i chrynhoi gan haen amddiffynnol sy'n lleihau diraddiad ac yn atal cemegolion gwenwynig rhag gollwng i'r amgylchedd.
Mae celloedd solar a modiwlau perovskite yn cynnwys llawer o haenau, y mae gan bob un ohonynt swyddogaeth benodol. Ychwanegodd neu addasodd y gwyddonwyr yr haenau a amlygwyd mewn oren.
Yn yr astudiaeth, bu'r gwyddonwyr yn gweithio gyda modiwlau solar a oedd yn 22.4 cm2.
Yn gyntaf, gwnaeth y gwyddonwyr wella'r rhyngwyneb rhwng yr haen weithredol perovskite a'r haen cludo electronau, trwy ychwanegu cemegyn o'r enw EDTAK rhwng y ddwy haen. Fe wnaethant ddarganfod bod EDTAK yn atal yr haen cludo electronau ocsid tun rhag adweithio gyda'r haen weithredol perovskite, gan gynyddu sefydlogrwydd y modiwl solar.
Fe wnaeth yr EDTAK hefyd wella effeithlonrwydd y modiwl solar perovskite mewn dwy ffordd wahanol. Yn gyntaf, symudodd potasiwm yn yr EDTAK i'r haen perovskite gweithredol gan “wella” diffygion bach ar yr wyneb perovskite. Roedd hyn yn atal y diffygion hyn rhag dal yr electronau a'r tyllau symudol, gan ganiatáu cynhyrchu mwy o drydan. Cynyddodd yr EDTAK berfformiad hefyd trwy wella priodweddau dargludol yr haen cludo electronau ocsid tun, gan ei gwneud hi'n haws casglu electronau o'r haen perovskite.
Gwnaeth y gwyddonwyr welliannau tebyg i'r rhyngwyneb rhwng yr haen weithredol perovskite a'r haen cludo twll. Y tro hwn, fe wnaethant ychwanegu math o perovskite o'r enw EAMA rhwng yr haenau, a oedd yn gwella'r gallu i'r haen cludo tyllau dderbyn tyllau.
Roedd y ddyfais a gafodd ei thrin gan EAMA hefyd yn dangos gwell sefydlogrwydd o dan brofion lleithder a thymheredd. Roedd hyn oherwydd y modd y rhyngweithiodd yr EAMA ag arwyneb yr haen weithredol perovskite, sy'n frithwaith o rawn grisial. Mewn dyfeisiau solar heb EAMA, gwelodd y gwyddonwyr fod craciau'n ffurfio ar wyneb yr haen weithredol, a darddodd o'r ffiniau rhwng y grawn hyn. Pan ychwanegodd y gwyddonwyr EAMA, gwelsant fod y deunydd perovskite ychwanegol yn llenwi'r ffiniau grawn ac yn atal lleithder rhag mynd i mewn, gan atal y craciau hyn rhag ffurfio.
Fe wnaeth y tîm hefyd addasu'r haen cludo tyllau ei hun, trwy gymysgu mewn ychydig bach o bolymer o'r enw PH3T. Roedd y polymer hwn yn rhoi hwb i wrthwynebiad lleithder trwy ddarparu priodweddau gwrthyrru dŵr i'r haen.
Datrysodd y polymer fater o bwys sydd eisoes wedi rhwystro gwelliannau i sefydlogrwydd tymor hir. Mae'r electrod ar ben y modiwl solar perovskite wedi'i ffurfio o stribedi tenau o aur. Ond dros amser, mae gronynnau aur bach yn mudo o'r electrod, trwy'r haen cludo twll ac i'r haen perovskite gweithredol. Mae hyn yn amharu'n anadferadwy ar berfformiad y ddyfais.
Pan ymgorfforodd yr ymchwilwyr PH3T, gwelsant fod y gronynnau aur yn mudo i'r ddyfais yn arafach a gynyddodd oes y modiwl yn sylweddol.
Er mwyn eu gwella'n derfynol, ychwanegodd y gwyddonwyr haen denau o'r polymer, parylene, yn ogystal â gwydr, i ddarparu gorchudd amddiffynnol i'r modiwl solar. Gyda'r amddiffyniad ychwanegol hwn, cynhaliodd y modiwlau solar tua 86% o'u perfformiad cychwynnol, hyd yn oed ar ôl 2000 awr o olau cyson.
Mewn cydweithrediad â Dr. Said Kazaoui yn y Sefydliad Cenedlaethol Gwyddoniaeth a Thechnoleg Ddiwydiannol Uwch (AIST), profodd tîm OIST y modiwlau solar gwell a chael effeithlonrwydd o 16.6% - effeithlonrwydd uchel iawn ar gyfer modiwl solar o'r maint hwnnw. Nod yr ymchwilwyr nawr yw cyflawni'r addasiadau hyn ar fodiwlau solar mwy, gan arwain y ffordd tuag at ddatblygu technoleg solar fasnachol ar raddfa fawr yn y dyfodol.
