เซลล์แสงอาทิตย์ Perovskite มีความก้าวหน้าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโดยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานอย่างรวดเร็ว (จาก 3% ในปี 2006 เป็น 25.5% ในปัจจุบัน) ทำให้สามารถแข่งขันกับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซิลิคอนได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายหลายประการก่อนที่จะกลายเป็นเชิงพาณิชย์ที่สามารถแข่งขันได้ เทคโนโลยี.
ตอนนี้ทีมงานของ NYU Tandon School of Engineering ได้พัฒนากระบวนการเพื่อแก้ปัญหาหนึ่งในนั้น ซึ่งเป็นปัญหาคอขวดในขั้นตอนสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการเติมสาร p-type ของวัสดุลำเลียงหลุมอินทรีย์ภายในเซลล์สุริยะ งานวิจัย “CO2 การเติมสารอินเทอร์เลเยอร์อินทรีย์สำหรับโซลาร์เซลล์ perovskite” ปรากฏใน ธรรมชาติ.
ในปัจจุบัน กระบวนการ p-doping ซึ่งทำได้โดยการไหลเข้าและการแพร่กระจายของออกซิเจนไปยังชั้นการขนส่งของรูนั้นใช้เวลามาก (หลายชั่วโมงถึงหนึ่งวัน) ทำให้การผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ perovskite จำนวนมากในเชิงพาณิชย์ไม่สามารถทำได้
ทีม Tandon นำโดย André D. Taylor รองศาสตราจารย์ และ Jaemin Kong รองศาสตราจารย์ด้านดุษฎีบัณฑิต พร้อมด้วย Miguel Modestino ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ทั้งหมดในภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุล ได้ค้นพบวิธีการเพิ่มจำนวนมหาศาล ความเร็วของขั้นตอนสำคัญนี้ผ่านการใช้คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) แทนออกซิเจน
ในเซลล์สุริยะของ perovskite โดยปกติต้องใช้สารกึ่งตัวนำอินทรีย์เจือเป็น interlayers การสกัดประจุที่ตั้งอยู่ระหว่างชั้น perovskite photoactive และอิเล็กโทรด วิธีการทั่วไปในการเติมสาร interlayers เหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเติมลิเธียม bis(trifluoromethane)sulfonimide (LiTFSI) เกลือลิเธียมลงใน spiro-OMeTAD ซึ่งเป็นสารอินทรีย์ที่เชื่อมด้วย π สารกึ่งตัวนำ ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับวัสดุขนย้ายรูในเซลล์แสงอาทิตย์ของ perovskite กระบวนการยาสลบเริ่มต้นโดยการเปิดเผยฟิล์มผสม spiro-OMeTAD:LiTFSI สู่อากาศและแสง
วิธีนี้ไม่เพียงแต่ใช้เวลานาน แต่ยังขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมด้วย ในทางตรงกันข้าม เทย์เลอร์และทีมของเขารายงานวิธีการเติมสารกระตุ้นที่รวดเร็วและทำซ้ำได้ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำให้สารละลาย spiro-OMeTAD:LiTFSI เดือดปุดด้วย CO2 ภายใต้แสงอัลตราไวโอเลต พวกเขาพบว่ากระบวนการของพวกเขาช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของ interlayer ได้อย่างรวดเร็วถึง 100 เท่า เมื่อเทียบกับฟิล์มผสมที่บริสุทธิ์ ซึ่งมากกว่าที่ได้จากกระบวนการสร้างฟองออกซิเจนประมาณ 10 เท่า CO2 ฟิล์มที่ผ่านการบำบัดยังส่งผลให้เซลล์สุริยะ perovskite มีเสถียรภาพและมีประสิทธิภาพสูงโดยไม่ต้องผ่านการบำบัดใดๆ
"นอกจากจะย่นระยะเวลาในการผลิตอุปกรณ์และการประมวลผลแล้ว การประยุกต์ใช้ spiro-OMeTAD ที่เติมสารล่วงหน้าในเซลล์แสงอาทิตย์แบบ perovskite ทำให้เซลล์มีความเสถียรมากขึ้น" Kong ผู้เขียนนำกล่าว “ส่วนหนึ่งเป็นเพราะลิเธียมไอออนที่เป็นอันตรายส่วนใหญ่ในสารละลาย spiro-OMeTAD:LiTFSI ถูกทำให้เสถียรเหมือนลิเธียมคาร์บอเนตระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์2 กระบวนการเกิดฟอง”
เขาเสริมว่าลิเธียมคาร์บอเนตจะถูกกรองออกเมื่อผู้ตรวจสอบหมุนสารละลายที่เจือปนล่วงหน้าไปยังชั้น perovskite “ด้วยเหตุนี้ เราจึงสามารถได้รับวัสดุอินทรีย์เจือบริสุทธิ์สำหรับชั้นการขนส่งรูที่มีประสิทธิภาพ”
ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิจัยจาก Samsung, Yale University, Korea Research Institute of Chemical Technology, The Graduate Center of the City University, Wonkwang University และ Gwangju Institute of Science and Technology ยังพบว่า CO2 วิธีการเติมสามารถใช้สำหรับการเติมชนิด p ของพอลิเมอร์คอนจูเกต π อื่นๆ เช่น PTAA, MEH-PPV, P3HT และ PBDB-T ตามที่เทย์เลอร์กล่าวว่านักวิจัยกำลังมองหาที่จะผลักดันขอบเขตเกินกว่าสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ทั่วไปที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์
“เราเชื่อว่าการบังคับใช้ CO . ในวงกว้าง2 การเติมสารต่อโมเลกุลอินทรีย์ π-คอนจูเกตต่างๆ ช่วยกระตุ้นการวิจัยตั้งแต่เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ไปจนถึงไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLED) และทรานซิสเตอร์แบบเอฟเฟกต์ภาคสนาม (OFET) แม้กระทั่งอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกที่ต้องใช้สารกึ่งตัวนำอินทรีย์ที่มีการควบคุม” เทย์เลอร์อธิบาย โดยเสริมว่าเนื่องจากกระบวนการนี้ใช้ CO . ค่อนข้างมาก2 ก๊าซก็ถือได้ว่าเป็นCO .ด้วย2 การศึกษาการจับกุมและอายัดในอนาคต
“ในช่วงเวลาที่รัฐบาลและบริษัทต่าง ๆ กำลังมองหาการลด CO2 การปล่อยก๊าซเรือนกระจกหากไม่กำจัดคาร์บอน งานวิจัยนี้เป็นช่องทางสำหรับทำปฏิกิริยา CO . จำนวนมาก2 ในลิเธียมคาร์บอเนตเพื่อปรับปรุงเซลล์แสงอาทิตย์รุ่นต่อไป ในขณะที่ขจัดก๊าซเรือนกระจกนี้ออกจากชั้นบรรยากาศ” เขาอธิบาย และเสริมว่าแนวคิดสำหรับแนวทางใหม่นี้เป็นความเข้าใจที่ขัดกับสัญชาตญาณจากการวิจัยแบตเตอรี่ของทีม
“จากประวัติศาสตร์อันยาวนานในการทำงานกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจน/แบตเตอรี่อากาศ เรารู้ว่าการก่อตัวของลิเธียมคาร์บอเนตจากการสัมผัสอิเล็กโทรดออกซิเจนสู่อากาศเป็นความท้าทายครั้งใหญ่เพราะมันทำให้แบตเตอรีลิเธียมไอออนหมดลง ซึ่งทำลายความจุของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ในปฏิกิริยายาสลบสไปโรนี้ เรากำลังใช้ประโยชน์จากการก่อตัวของลิเธียมคาร์บอเนต ซึ่งจับลิเธียมและป้องกันไม่ให้กลายเป็นไอออนเคลื่อนที่ที่เป็นอันตรายต่อความเสถียรในระยะยาวของ perovskite เซลล์แสงอาทิตย์ เราหวังว่าCO .นี้2 เทคนิคการเติมสารกระตุ้นอาจเป็นก้าวสำคัญในการเอาชนะความท้าทายที่มีอยู่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ออร์แกนิกและอื่น ๆ ”