שימוש ביסודות אדמה נדירים כדי להתגבר על מגבלות של תאים סולאריים

לתאי שמש פרובסקיט יתרונות על פני טכנולוגיית תאי השמש הנוכחית. יש להם פוטנציאל להיות יעילים יותר, הם קלים משקל ועולים פחות מווריאציות אחרות. בתא שמש פרובסקיט, שכבת הפרובסקיט ממוקמת בין אלקטרודה שקופה בחזית ואלקטרודה מחזירת אור בחלק האחורי של התא. שכבות הובלת אלקטרודות והובלת חורים מוכנסות בין ממשקי הקתודה והאנודה, מה שמקל על איסוף מטען באלקטרודות. ישנם ארבעה סיווגים של תאי שמש פרובסקיט המבוססים על מבנה המורפולוגיה ורצף השכבות של שכבת הובלת המטען: מבנים מישוריים רגילים, מישוריים הפוך, מזופוריים רגילים ומזופוריים הפוך. עם זאת, קיימים מספר חסרונות בטכנולוגיה זו. אור, לחות וחמצן יכולים לגרום לפירוקם, ספיגתם עלולה להיות לא תואמת, ויש להם גם בעיות עם שחזור מטען לא-קרינתי. פרובסקיטים יכולים להישחק על ידי אלקטרוליטים נוזליים, מה שמוביל לבעיות יציבות. כדי לממש את יישומיהם המעשיים, יש לשפר את יעילות המרת האנרגיה שלהם ואת יציבותם התפעולית. עם זאת, התקדמות טכנולוגית אחרונה הובילה לתאי שמש פרובסקיט בעלי יעילות של 25.5%, מה שאומר שהם אינם רחוקים מלהיות תאי שמש פוטו-וולטאיים מסיליקון קונבנציונליים. לשם כך, נחקרו יסודות אדמה נדירים עבור יישומים בתאי שמש פרובסקיט. יש להם תכונות פוטופיזיקליות שמתגברות על הבעיות. לכן, השימוש בהם בתאי שמש פרובסקיט ישפר את תכונותיהם, מה שיהפוך אותם לניתנים ליישום בקנה מידה גדול של פתרונות אנרגיה נקייה. כיצד יסודות אדמה נדירים מסייעים לתאי שמש פרובסקיט ישנן תכונות יתרונות רבות שיש ליסודות אדמה נדירה בהן ניתן להשתמש כדי לשפר את תפקודם של דור חדש זה של תאי שמש. ראשית, פוטנציאלי החמצון והחיזור ביונים של אדמה נדירה הם הפיכים, מה שמפחית את החמצון והחיזור של חומר המטרה עצמו. בנוסף, ניתן לווסת את היווצרות שכבה דקה על ידי הוספת יסודות אלה על ידי צימודם עם פרובסקיטים ותחמוצות מתכת להובלת מטען. יתר על כן, ניתן להתאים את מבנה הפאזה ואת התכונות האופטואלקטרוניות על ידי הטמעתם התמיינת בסריג הגביש. ניתן להשיג בהצלחה פסיבציה של פגמים על ידי הטמעתם בחומר המטרה, בין אם באופן ביניים בגבולות הגרעינים או על פני החומר. יתר על כן, פוטונים אינפרא אדום ואולטרה סגול ניתנים להמרה לאור נראה המגיב לפרובסקיט בשל נוכחותם של מסלולי מעבר אנרגטיים רבים ביוני אדמה נדירה. היתרונות של פעולה זו הם כפולים: היא מונעת נזק לפרובסקיטים מאור בעוצמה גבוהה ומגדילה את טווח התגובה הספקטרלי של החומר. שימוש ביסודות אדמה נדירים משפר משמעותית את היציבות והיעילות של תאי שמש פרובסקיטים. שינוי מורפולוגיות של שכבות דקות כפי שצוין קודם לכן, יסודות אדמה נדירים יכולים לשנות את המורפולוגיה של שכבות דקות המורכבות מתחמוצות מתכת. מתועד היטב כי המורפולוגיה של שכבת הובלת המטען הבסיסית משפיעה על המורפולוגיה של שכבת הפרובסקיט ועל המגע שלה עם שכבת הובלת המטען. לדוגמה, סימום עם יוני אדמה נדירה מונע הצטברות של חלקיקי SnO2 ננומטריים שעלולים לגרום לפגמים מבניים, וגם ממתן את היווצרותם של גבישי NiOx גדולים, ויוצר שכבה אחידה וקומפקטית של גבישים. לפיכך, ניתן להשיג שכבות דקות של חומרים אלה ללא פגמים באמצעות סימום של יוני אדמה נדירה. בנוסף, שכבת הפיגום בתאי פרובסקיט בעלי מבנה מזופורי ממלאת תפקיד חשוב במגעים בין שכבת הפרובסקיט לשכבת הובלת המטען בתאים הסולאריים. הננו-חלקיקים במבנים אלה יכולים להציג פגמים מורפולוגיים וגבולות גרגירים רבים. זה מוביל לשחזור מטען שאינו מקרין שלילי וחמור. מילוי נקבוביות הוא גם בעיה. סימום עם יוני אדמה נדירה מווסת את צמיחת הפיגום ומפחית פגמים, ויוצר ננו-מבנים מיושרים ואחידים. על ידי שיפורים במבנה המורפולוגי של שכבות פרובסקיט ושל שכבות הובלת מטען, יוני אדמה נדירה יכולים לשפר את הביצועים והיציבות הכוללים של תאי שמש פרובסקיט, מה שהופך אותם למתאימים יותר ליישומים מסחריים בקנה מידה גדול. אי אפשר להמעיט בחשיבותם של תאי שמש פרובסקיט. הם יספקו יכולת ייצור אנרגיה מעולה בעלות נמוכה בהרבה מתאי השמש מבוססי סיליקון הקיימים כיום בשוק. המחקר הראה כי עירוי פרובסקיט ביונים של אדמה נדירה משפר את תכונותיו, מה שמוביל לשיפורים ביעילות וביציבות. משמעות הדבר היא שתאי שמש פרובסקיט עם ביצועים משופרים קרובים צעד אחד להפוך למציאות.
זמן פרסום: 04 יולי 2022