Säänkestoa perovskiittisiin aurinkokennoihin

Perovskiittiset aurinkokennot ovat lupaavimpia teknologioita aurinkoenergian halvemman ja tehokkaamman käytön mahdollistamiseksi.

Munchenin teknisen yliopiston, Karlsruhen teknillisen korkeakoulun, DESY:n (Deutsches Elektronen-Synchroton) ja Tukholman kuninkaallisen teknillisen korkeakoulun yhteistyönä tutkijatiimi paljasti lämpötilanvaihteluiden aiheuttaman materiaalin heikkenemisen taustalla olevat mikroskooppiset mekanismit ja kehitti strategian sen estämiseksi.

Heidän lähestymistapansa keskittyy hauraan kiderakenteen vakauttamiseen erityisesti suunnitelluilla molekyyli-"ankkureilla".

Vaikka perovskiitit ovat saavuttaneet ennätyksellisen tehokkuuden aurinkosähkön muuntamisessa, ne kohtaavat luonnossa armottoman vihollisen: äärimmäiset lämpötilan muutokset. Asiantuntijat kutsuvat tätä lämpösykleiksi, jotka voivat laukaista varhaisen hajoamisvaiheen, jossa kennot saattavat menettää suhteellisen suorituskykynsä.

Julkaistussa tutkimuksessa TUM:n professori Kun Sun ja hänen tiiminsä tutkivat niin kutsuttuja tehokkaita laajan kaistanleveyden kennoja – tandem-aurinkokennorakenteiden ylempiä kennoja.

DESY:n korkean resoluution röntgenmittausten avulla tiimi tarkkaili materiaalin "hengitystä" reaaliajassa nopeiden lämpötilanmuutosten aikana; hila laajeni ja supistui säännöllisesti vasteena nopeisiin lämpötilanvaihteluihin.

Löytö oli huomattava: hajoaminen tapahtuu massiivisessa alkuvaiheen "sisäänajovaiheessa", jossa solut voivat menettää jopa 60 % suhteellisesta suorituskyvystään. "Paljastimme, että mikroskooppinen köydenveto laukaisee tämän menetyksen", selittää tohtori Kun Sun. "Materiaalin sisällä syntyy jännitteitä ja sen rakenne muuttuu – tämä maksaa energiaa." Tämä havainto antaa insinööreille selkeän tavoitteen: jos pystymme poistamaan sisäänajon, voimme saavuttaa pitkän aikavälin vakauden.

Kuinka estämme materiaalin hajoamisen? Toisessa ACS Energy Letters -lehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat raportoivat, kuinka herkkä kidemateriaali stabiloidaan. He käyttivät erityisiä orgaanisia molekyylejä, jotka toimivat välikappaleina ja pitävät rakenteen koossa – kuin molekyylirakenne.

Vertailemalla erilaisia välikappaleita tutkijat löysivät voittajan: vaikka tavalliset välikappaleet johtivat rakenteelliseen hajoamiseen, massakokoisempi orgaaninen molekyyli PDMA toimi parempana ankkurina. Tuloksena on huomattavasti kestävämpi aurinkokenno, joka pysyy vakaana jopa nopean lämmityksen ja jäähdytyksen aiheuttaman mekaanisen rasituksen alaisena.

”Aurinkosähkön tulevaisuus on tandem”, sanoo professori Peter Müller-Buschbaum. ”Ymmärtämällä nämä mikroskooppiset mekaniikat olemme luomassa tietä uuden sukupolven aurinkopaneeleille, jotka ovat sekä erittäin tehokkaita että kestäviä vuosikymmenten ulkokäyttöön.”

Aiheesta aiemmin:

Perovskiittisille aurinkokennoille pitkäaikainen vakaus

Perovskiittikennojen vakaus kolminkertaistui suojapinnoitteella