Pin mặt trời perovskite 30 năm và cách tiếp cận mới để thử nghiệm chúng trong một chặng đường dài

Pin mặt trời perovskite 30 năm và cách tiếp cận mới để thử nghiệm chúng trong một chặng đường dài

    [Vui lòng đăng ký trang Youtube của Pacific Group tại

    https://www.youtube.com/channel/UCAxje1GxiUpZD6MEcR0f5Jg/videos

    Chúng tôi có các buổi chia sẻ về kinh doanh thực tế hàng tuần]

    Pin mặt trời perovskite 30 năm và cách tiếp cận mới để thử nghiệm chúng trong một chặng đường dài

    Once seen as fleeting, a new solar tech proves its lasting power

    Một lớp công nghệ năng lượng mặt trời mới nổi, được sản xuất bằng chất bán dẫn perovskite, đã vượt qua cột mốc được mong đợi từ lâu là tuổi thọ 30 năm. Các nhà nghiên cứu của Princeton Engineering, người đã thiết kế ra thiết bị mới này cũng tiết lộ một phương pháp mới để kiểm tra hiệu suất lâu dài, một trở ngại quan trọng trên con đường thương mại hóa. Ảnh: Bumper DeJesus


    Các nhà nghiên cứu của Công ty Kỹ thuật Princeton đã phát triển pin mặt trời perovskite đầu tiên có tuổi thọ khả thi về mặt thương mại, đánh dấu một cột mốc quan trọng cho một loại công nghệ năng lượng tái tạo mới nổi. Nhóm nghiên cứu dự đoán thiết bị của họ có thể hoạt động trên các tiêu chuẩn công nghiệp trong khoảng 30 năm, hơn nhiều so với 20 năm được sử dụng làm ngưỡng khả năng tồn tại của pin mặt trời.

    Thiết bị không chỉ có độ bền cao mà còn đáp ứng các tiêu chuẩn hiệu quả thông thường. Đây là loại đầu tiên sánh ngang với hiệu suất của các tế bào làm từ silicon, vốn đã thống trị thị trường kể từ khi được giới thiệu vào năm 1954.

    Perovskites là chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể đặc biệt nên rất phù hợp với công nghệ pin mặt trời. Chúng có thể được sản xuất ở nhiệt độ phòng, sử dụng ít năng lượng hơn nhiều so với silicon, làm cho chúng rẻ hơn và bền vững hơn để sản xuất. Và trong khi silicon cứng và không trong suốt, perovskites có thể được làm linh hoạt và trong suốt, giúp mở rộng năng lượng mặt trời vượt xa những tấm pin mang tính biểu tượng ở các sườn đồi và mái nhà trên khắp nước Mỹ.

    Nhưng không giống như silicon, perovskites nổi tiếng là dễ vỡ. Các tế bào năng lượng mặt trời perovskite ban đầu (PSC), được tạo ra từ năm 2009 đến năm 2012, chỉ tồn tại trong vài phút. Tuổi thọ dự kiến ​​của thiết bị mới tăng gấp 5 lần so với kỷ lục trước đó, được thiết lập bởi một PSC hiệu suất thấp hơn vào năm 2017. (Thiết bị đó hoạt động dưới ánh sáng liên tục ở nhiệt độ phòng trong một năm. Thiết bị mới sẽ hoạt động trong năm năm. điều kiện phòng thí nghiệm tương tự.)

    Nhóm nghiên cứu Princeton, dẫn đầu bởi Lynn Loo, Giáo sư Theodora D. '78 và William H. Walton III '74 về Kỹ thuật, đã tiết lộ thiết bị mới và phương pháp mới của họ để thử nghiệm các thiết bị này trong một bài báo đăng ngày 16 tháng 6 trên tạp chí Science.

    Loo cho biết thiết kế lập kỷ lục đã làm nổi bật tiềm năng lâu bền của PSC, đặc biệt là một cách để thúc đẩy công nghệ pin mặt trời vượt qua giới hạn của silicon. Nhưng cô ấy cũng chỉ ra kết quả tiêu đề cho kỹ thuật lão hóa tăng tốc mới của nhóm mình vì ý nghĩa sâu sắc hơn của công việc.

    "Chúng tôi có thể có kỷ lục ngày hôm nay", cô ấy nói, "nhưng một người khác sẽ tạo ra kỷ lục tốt hơn vào ngày mai. Điều thực sự thú vị là giờ đây chúng tôi có cách để kiểm tra các thiết bị này và biết chúng sẽ hoạt động như thế nào trong lâu dài. "

    Do tính chất yếu nổi tiếng của perovskites, việc thử nghiệm trong thời gian dài không được quan tâm nhiều cho đến nay. Nhưng khi các thiết bị trở nên tốt hơn và tồn tại lâu hơn, việc thử nghiệm thiết kế này so với thiết kế khác sẽ trở nên quan trọng trong việc tung ra các công nghệ bền bỉ, thân thiện với người tiêu dùng.

    Joseph Berry, một thành viên cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia, chuyên về vật lý của pin mặt trời, cho biết: “Bài báo này có thể sẽ là một mẫu thử nghiệm cho bất kỳ ai muốn phân tích hiệu suất ở giao điểm giữa hiệu quả và sự ổn định. tham gia vào nghiên cứu này. "Bằng cách tạo ra một mẫu thử nghiệm để nghiên cứu độ ổn định và hiển thị những gì có thể ngoại suy [thông qua thử nghiệm tăng tốc], nó đang thực hiện công việc mà mọi người muốn thấy trước khi chúng tôi bắt đầu thử nghiệm hiện trường trên quy mô lớn. Nó cho phép bạn chiếu theo cách thực sự ấn tượng."

    Berry cho biết, mặc dù hiệu suất đã tăng với tốc độ đáng kể trong thập kỷ qua, nhưng tính ổn định của các thiết bị này đã được cải thiện chậm hơn. Để chúng trở nên phổ biến và được triển khai theo ngành, việc thử nghiệm sẽ cần phải trở nên phức tạp hơn. Đó là nơi mà quá trình lão hóa nhanh của Loo xuất hiện.

    Loo nói: “Những loại thử nghiệm này sẽ ngày càng trở nên quan trọng. "Bạn có thể tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả nhất, nhưng sẽ không thành vấn đề nếu chúng không ổn định."

    Once seen as fleeting, a new solar tech proves its lasting power
    Nhìn vào một tế bào năng lượng mặt trời perovskite có độ ổn định cao dưới độ phóng đại trong quá trình lão hóa tăng tốc giúp các nhà nghiên cứu dự báo tuổi thọ kéo dài của các thiết kế tiên tiến. Ảnh: Bumper DeJesus
    Làm thế nào họ đến đây

    Đầu năm 2020, nhóm của Loo đã nghiên cứu các kiến ​​trúc thiết bị khác nhau sẽ duy trì hiệu suất tương đối mạnh — chuyển đổi đủ ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện để làm cho chúng có giá trị — và tồn tại trước sự tấn công dữ dội của nhiệt, ánh sáng và độ ẩm tấn công pin mặt trời trong suốt thời gian tồn tại của nó.

    Xiaoming Zhao, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Loo, đã cùng đồng nghiệp thực hiện một số thiết kế. Những nỗ lực đã phân lớp các vật liệu khác nhau để tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng đồng thời bảo vệ các khu vực mỏng manh nhất khỏi bị phơi nhiễm. Họ đã phát triển một lớp giới hạn siêu mỏng giữa hai thành phần quan trọng: lớp perovskite hấp thụ và lớp mang điện tích làm từ muối cupric và các chất khác. Mục tiêu là giữ cho chất bán dẫn perovskite không bị cháy trong vài tuần hoặc vài tháng, định mức tại thời điểm đó.

    Thật khó để hiểu lớp phủ này mỏng như thế nào. Các nhà khoa học sử dụng thuật ngữ 2D để mô tả nó, có nghĩa là hai chiều, giống như một thứ gì đó không có độ dày. Trên thực tế, nó chỉ dày vài nguyên tử - nhỏ hơn một triệu lần so với thứ nhỏ nhất mà mắt người có thể nhìn thấy. Mặc dù ý tưởng về lớp giới hạn 2D không phải là mới, nhưng nó vẫn được coi là một kỹ thuật mới nổi đầy hứa hẹn. Các nhà khoa học tại NREL đã chỉ ra rằng các lớp 2D có thể cải thiện đáng kể hiệu suất đường dài, nhưng chưa ai phát triển một thiết bị đẩy perovskites đến gần ngưỡng thương mại với tuổi thọ 20 năm.

    Zhao và các đồng nghiệp của ông đã xem qua rất nhiều phép hoán vị của những thiết kế này, thay đổi các chi tiết nhỏ trong hình học, thay đổi số lượng các lớp và thử hàng tá sự kết hợp vật liệu. Mỗi thiết kế đều được đưa vào hộp đèn, nơi họ có thể chiếu xạ các thiết bị nhạy cảm dưới ánh sáng rực rỡ không ngừng và đo lường sự sụt giảm hiệu suất của chúng theo thời gian.

    Vào mùa thu năm đó, khi làn sóng đại dịch đầu tiên lắng xuống và các nhà nghiên cứu quay trở lại phòng thí nghiệm của họ để có xu hướng thực hiện các thí nghiệm của họ theo các ca phối hợp cẩn thận, Zhao nhận thấy có điều gì đó kỳ lạ trong dữ liệu. Một bộ thiết bị dường như vẫn đang hoạt động gần hiệu suất cao nhất.

    Ông nói: “Về cơ bản không có sự sụt giảm nào sau gần nửa năm.

    Đó là khi anh ấy nhận ra mình cần một cách để kiểm tra thiết bị của mình nhanh hơn so với thử nghiệm thời gian thực cho phép.

    Zhao nói: “Tuổi thọ chúng tôi muốn là khoảng 30 năm, nhưng bạn không thể mất 30 năm để kiểm tra thiết bị của mình. "Vì vậy, chúng ta cần một số cách để dự đoán thời gian tồn tại này trong một khung thời gian hợp lý. Đó là lý do tại sao quá trình lão hóa tăng tốc này là rất quan trọng."

    Phương pháp thử nghiệm mới đẩy nhanh quá trình lão hóa bằng cách chiếu sáng thiết bị trong khi thổi bằng nhiệt. Quá trình này tăng tốc những gì sẽ xảy ra tự nhiên trong nhiều năm tiếp xúc thường xuyên. Các nhà nghiên cứu đã chọn bốn nhiệt độ lão hóa và đo kết quả trên bốn luồng dữ liệu khác nhau này, từ nhiệt độ cơ bản của một ngày mùa hè điển hình đến cực điểm là 230 độ F, cao hơn nhiệt độ sôi của nước.

    Sau đó, họ ngoại suy từ dữ liệu kết hợp và dự báo hiệu suất của thiết bị ở nhiệt độ phòng trong hàng chục nghìn giờ chiếu sáng liên tục. Kết quả cho thấy một thiết bị sẽ hoạt động trên 80% hiệu suất tối đa dưới ánh sáng liên tục trong ít nhất 5 năm ở nhiệt độ trung bình là 95 độ F. Sử dụng các thước đo chuyển đổi tiêu chuẩn, Loo cho biết đó là phòng thí nghiệm tương đương với 30 năm hoạt động ngoài trời ở một khu vực như Princeton, NJ.

    Berry của NREL cũng đồng tình. "Nó rất đáng tin cậy," anh nói. "Một số người vẫn muốn xem nó diễn ra. Nhưng đây là khoa học đáng tin cậy hơn nhiều nỗ lực dự báo khác."

    Once seen as fleeting, a new solar tech proves its lasting power
    Một loạt các thiết kế pin mặt trời perovskite đặt dưới ánh sáng chói ở nhiệt độ cao trong quá trình thử nghiệm và lão hóa nhanh do các nhà nghiên cứu của Princeton Engineering phát triển. Phương pháp thử nghiệm mới đánh dấu một bước quan trọng trong việc thương mại hóa các tế bào năng lượng mặt trời tiên tiến. Tín dụng: Bumper DeJesus
    Michael Jordan của pin mặt trời

    Pin mặt trời Perovskite được tiên phong trong năm 2006, với các thiết bị đầu tiên được công bố sau đó vào năm 2009. Một số thiết bị đầu tiên chỉ tồn tại trong vài giây. Những người khác phút. Trong những năm 2010, tuổi thọ của thiết bị đã tăng lên đến ngày, tuần và cuối cùng là vài tháng. Sau đó, vào năm 2017, một nhóm từ Thụy Sĩ đã xuất bản một bài báo đột phá về một PSC kéo dài suốt một năm chiếu sáng liên tục.

    Trong khi đó, hiệu suất của các thiết bị này đã tăng vọt so với cùng kỳ. Trong khi PSC đầu tiên cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp hơn 4%, các nhà nghiên cứu đã tăng chỉ số đó lên gần mười lần trong nhiều năm. Đó là cải tiến nhanh nhất mà các nhà khoa học từng thấy trong bất kỳ loại công nghệ năng lượng tái tạo nào cho đến nay.

    Vậy tại sao lại thúc đẩy perovskites? Berry cho biết sự kết hợp của những tiến bộ gần đây khiến chúng trở nên đặc biệt đáng mong đợi: hiệu quả mới cao, khả năng "kiểm tra" phi thường cho phép các nhà khoa học tạo ra các ứng dụng cụ thể cao, khả năng sản xuất chúng tại chỗ với đầu vào năng lượng thấp và giờ đây là một dự báo đáng tin cậy về tuổi thọ kéo dài cùng với với một quá trình lão hóa phức tạp để kiểm tra một loạt các thiết kế.

    Loo cho biết không phải PSC sẽ thay thế các thiết bị silicon quá nhiều mà công nghệ mới sẽ bổ sung cho công nghệ cũ, làm cho các tấm pin mặt trời thậm chí còn rẻ hơn, hiệu quả hơn và bền hơn hiện tại, đồng thời mở rộng năng lượng mặt trời sang nhiều lĩnh vực mới của cuộc sống hiện đại. Ví dụ, nhóm của cô gần đây đã chứng minh một bộ phim perovskite hoàn toàn trong suốt (có tính chất hóa học khác nhau) có thể biến các cửa sổ thành thiết bị sản xuất năng lượng mà không làm thay đổi hình dạng của chúng. Các nhóm khác đã tìm ra cách để in mực quang điện bằng cách sử dụng perovskites, cho phép các nhà khoa học về công nghệ định hình chỉ mới mơ ước.

    Nhưng lợi thế chính về lâu dài, theo cả Berry và Loo: Perovskites có thể được sản xuất tại chỗ

    Zalo
    Hotline