צוות חוקרים בראשות פרופסור יאבינג צ'י ביחידה לחומרי אנרגיה ומדעי השטח באוניברסיטת אוקינאווה למדעים וטכנולוגיה (OIST) ביפן צילם את האטומים על פני השכבה הסופגת אור בסוג חדש של תאי השמש מהדור הבא, העשויים מחומר קריסטל הנקרא perovskite מתכת-הליד.
ממצאיהם, שפורסמו בכתב העת Energy & Environmental Science, פתרו תעלומה ארוכת שנים בתחום טכנולוגיית החשמל הסולארי, המראה כיצד כלור חיזוק כוח ושיפור היציבות משולב בחומר perovskite.
במהלך העשור האחרון, החוקרים התמקדו מאוד בטיפול בנושאים אלה. אחת הדרכים לשיפור תאי השמש של perovskite הייתה באמצעות שימוש בדופנטים – עקבות קטנות של חומר כימי נוסף המתווסף במהלך תהליך ייצור שכבת הגביש perovskite. מרקימים משנים את המאפיינים הפיזיים והכימיים של החומר, ומעלים את היציבות והיעילות של המכשיר הסולארי.
אחד הדופנטים הוא כלור, שהוכח כי הוא מגביר את תוחלת החיים של תאים סולאריים מסוג perovskite ומשפר את יעילות המרת החשמל שלהם. אבל עד עכשיו, כיצד פועל הסם הזה היה חידה.
"לקהילת המחקר לא היה מושג מדוע הם רואים את השיפורים האלה. לאחר שהוסיפו החוקרים לא יכלו לעקוב אחר הכלור – הם לא יכלו לדעת האם הכלור משולב עמוק בחומר הפרוסקביט, נשאר על פני השטח או אפילו עזב החומר במהלך תהליך הייצור ", אמר ד"ר ג'מסהייד. "כ -50% מהקהילה האמינו שהכלור קיים, אך 50% האחרים מהקהילה לא."
במחקר, קבוצת המחקר הכריעה לבסוף את הוויכוח על ידי יצירת סרטים דקים של perovskite מתכת הליד, methylammonium עופרת יודיד, אשר היו מסוממים עם כלור. הם השתמשו במיקרוסקופ מנהרת סריקה מתקדמת כדי לדמיין את פני שכבת הפרוסקביט.
שכבת ה perovskite אינה סריג קריסטל אחיד, אלא מורכבת מגרגירי קריסטל רבים ושונים. זה בגלל הסדקים האלה בין גרגרים, הנקראים גבולות תבואה, ש- perovskite מטבעו אינו יציב כל כך.
"רוב ההתדרדרות מאור UV, טמפרטורה או לחות מתרחשת בגבולות התבואה הללו, מכיוון שהיונים כאן קשורים הרבה יותר באופן רופף", אמר ד"ר ג'משאד.
הצוות חושד כי נוכחות מוגברת של כלור סביב גבולות הדגן עשויה להסביר את יציבותו ויעילותו של החומר על ידי הפחתת מספר הפגמים על פני השטח.
חשוב לציין, החוקרים גילו שכאשר הם שינו את ריכוז הכלור בתוך הסרט perovskite על ידי שינוי משך הזמן שהכלור הופקד, גם מבנה פני השטח והתכונות האלקטרוניות של החומר השתנו.
בזמן התצהיר הקצר ביותר, הצוות לא הצליח לזהות כלור על פני החומר perovskite. ובזמן התצהיר הארוך ביותר, הכלור יצר שכבה נוספת של יונים על גבי הפרובסקיט ששינתה באופן דרסטי את המאפיינים האלקטרוניים.
החוקרים הצליחו לחשב זמן בתצהיר בינוני שפגע בנקודה החמה – והעניק ריכוז כלורי אופטימלי – כ -14.8% – על פני השטח. ריכוז זה העניק לחומר perovskite יציבות גבוהה.
השלב הבא של צוות המחקר הוא ייצור תא סולארי שלם המכיל שכבת perovskite המסוממת בריכוז כלורי אופטימלי זה.
"בגלל זה כל כך חשוב לימודי היסוד כמו אלה – הם עוזרים למהנדסי התקנים לברר את תהליך הייצור האופטימלי ביותר ללא ניסוי וטעייה", אמר ד"ר ג'מסיד. "על ידי הבנת האופן שבו משככי הדופנטים משפרים את החומר, הוא יכול גם להנחות אותנו לקראת תערובות כימיות חדשות שעשויות לעבוד אפילו טוב יותר."
מחקר זה זכה לתמיכה מתוכנית הוכחת הרעיון של מרכז הפיתוח והחדשנות של OIST.
