Holdbare alumina‑nanopartikler forlænger levetiden for perovskit‑solceller 10‑gange

Et team af innovative forskere har netop offentliggjort en undersøgelse, der viser, hvordan alumina‑nanopartikler kan forlænge solpanelers levetid ti‑fold. Efterhånden som det globale samfund nærmer sig målet om netto‑nul CO₂‑udledning i de kommende årtier, er der et stærkt pres for at få vedvarende energikilder på markedet. Vedvarende energimuligheder som vindmøller og solpaneler tilbyder en pålidelig, ren energiløsning. Disse enheder er dog ikke perfekte, og deres ydeevne forringes over tid.

Typer af solpaneler

Solpanelteknologien fortsætter med at udvikle sig. I dag findes der fire hovedtyper af solpaneler på markedet: PERC, monokrystallinske, polykrystallinske og tyndfilmspaneler. Disse muligheder har deres fordele og ulemper med hensyn til effektivitet, levetid, størrelse og holdbarhed.

PERC  (Passiveret emitter og bagcelle)

PERC‑solpaneler integrerer et dobbeltlagsdesign for at maksimere effektiviteten. Bemærkelsesværdigt kan denne type solpanel opnå +20 % effektivitet med dette setup. Den tilbyder middelholdbarhed og levetid. Dog er den den dyreste mulighed på listen, hvilket gør den mindre egnet for de fleste boligejere.

Monokrystallinsk

Monokrystallinske paneler er en anden dyr mulighed, der leverer 20 % effektivitet. Dette panel bruger siliciumkrystal som grundmateriale. Opsætningen giver den længste levetid af de fire muligheder, men den øger også den samlede pris på disse paneler.

Polykrystallinsk

Polykrystallinske paneler fremstilles ved at smelte silikiumfragmenter sammen. Denne tilgang sænker produktionsomkostningerne, hvilket gør denne mulighed mere overkommelig. Disse enheder er dog større end deres modparter og er mindre effektive. I de fleste tilfælde har de en gennemsnitlig effektivitet på 15 %.

Tyndfilmspaneler

Tyndfilmspaneler har den laveste effektivitet, men giver den største fleksibilitet og overkommelighed. Disse er de paneler, du ser på autocampere og andre områder, hvor pladsen er begrænset. Tyndfilmspaneler kan fremstilles af forskellige materialer. To almindelige muligheder er CdTe (Cadmium Tellurid) og a‑Si (Amorf silicium).

Perovskit-solceller (PSC’er)

Perovskit-solceller er den mest avancerede type solpanel, der anvendes i dag. Disse siliciumbaserede paneler leverer høj effektivitet fra en let og kompakt form. For at opnå dette inkorporerer de selv‑samlede monolag (SAM’er) for at forbedre ydeevnen uden at øge priserne.

Problemer med PSC’er

PSC’er har stadig mange ulemper. For det første lider de af iodlækage ligesom andre panelmuligheder. Dannelse af molekylært iodine forekommer over tid på grund af kemiske reaktioner i disse materialer, hvilket forværrer nedbrydningsprocesserne og reducerer ydeevnen.

Alumina‑nanopartikler‑undersøgelse

Da de erkendte den begrænsede forståelse af, hvordan molekylære modificatorer påvirker de nanoskalære elektriske og elektroniske egenskaber af perovskitten samt enhedens stabilitet, fremlagde ingeniører fra University of Surrey en ny metode til at forbedre levetiden og ydeevnen for disse enheder.
Rapporten “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹ offentliggjort i EES Solar afslører de indre mekanismer i disse materialer under nedbrydningsprocessen, hvilket gør det muligt for ingeniører at forstå overflademodifikatorer bedre og hvordan de kan anvendes til at forbedre fremtidige enheder. Som en del af undersøgelsen begyndte teamet med at teste holdbarheden af de vigtigste solpaneltyper mod hinanden.

PFN–Br

Dette polymerelektrolyt anvendes almindeligt i PSC’er. Det tilbyder pålidelig ydeevne og middel levetid. Teamet besluttede at anvende dette materiale, da det betragtes som det mest avancerede på dagens marked.

Alumina (Al₂O₃) nanopartikler

Ingeniørerne udviklede alumina (Al₂O₃) nanopartikler som en del af deres forskning. Disse små partikler blev designet til at fange iodine, der frigives i solpanelet over tid. Målet var at forhindre, at iodine undslipper til resten af cellen og forårsager nedbrydning af ydeevnen.

2D-perovskitter

For at løse opgaven skabte ingeniørerne en 2D-perovskit-barriere mod fugt. Denne barriere forhindrede, at eksterne materialer trængte ind i panelet og forårsagede nedbrydning. Strategien øgede panelets pålidelighed og holdbarhed.

Alumina‑nanopartikler‑test

For at teste deres teori måtte ingeniørerne udsætte panelerne for virkelige forhold. Som en del af testfasen udarbejdede teamet ekstreme varme‑ og fugtighedsscenarier. Panelerne blev derefter placeret i disse områder og testet. Ved hjælp af røntgen‑fotoelektronspektroskopi (XPS) fulgte teamet omhyggeligt udviklingen af nedbrydende celler under belastende forhold.

Kelvin‑probe‑kraft‑mikroskopi

Derefter brugte ingeniørerne et Kelvin‑probe‑kraft‑mikroskop til at overvåge påvirkningen af modificatorerne på overfladen og den elektroniske homogenitet i friske og nedbrudte prøver. KPF‑mikroskopet blev anvendt til at analysere den overfladiske elektroniske homogenitet i perovskitfilm. Dette hjalp forskerne med at forstå, hvordan alumina‑nanopartikler bidrager til forbedret stabilitet og reduceret nedbrydning, snarere end at observere deres funktion direkte.

Stabilitetstest

Stabilitetstest involverede at undersøge, hvordan den indkapslede fugtbarriere holdt under intense forhold. Enhederne blev periodisk testet efter hver eksponeringcyklus. Denne strategi gjorde det lettere for forskerne at foretage direkte sammenligninger af hver celle.

Resultater af alumina‑nanopartikler‑test

Testresultaterne viser stort potentiale for denne teknologi. For det første producerede cellerne, der er bygget med alumina‑nanopartikler, mere energi og kunne gøres lettere. Disse enheder demonstrerede høj ydeevne med minimal nedgang i energiproduktion over 1.530 timers test.

Specifikt viste de nanopartikel‑infunderede enheder en 10‑gange længere levetid end forgængerne. Ingeniørerne fandt, at Al₂O₃‑nanopartiklerne også bidrog til en mere ensartet perovskitstruktur. Denne forbedrede arkitektur medførte færre fejl og øgede den elektriske forbindelse.

Imponerende skabte nanopartiklerne en 2D‑beskyttende belægning, der holdt fugt ude af enhederne. Testerne viste en lav vandgennemtrængningsrate på cirka 4 × 10⁻³ g pr. m² pr. dag. Derfor er de nye enheder bedre egnet til ugunstige vejrforhold og permanente installationer.

Fordele ved alumina‑nanopartikler

Der er en lang række fordele, der gør alumina‑nanopartikler til et klogt alternativ til andre muligheder. For det første leverer de høj effektivitet fra en lille formfaktor. De, der har begrænset plads, som f.eks. urbane tage, får mere ud af disse paneler.

Længere levetid

At tilføje solenergi til dit hjem eller din virksomhed er ikke billigt. Det er almindeligt, at et system koster mere end 50.000 $. Enhver teknologi, der kan forlænge levetiden for disse enheder og reducere omkostningerne, vil sandsynligvis blive hurtigt adopteret på markedet.

Billigere at fremstille

En anden hovedfordel ved at fremstille alumina‑nanopartikelpaneler er, at de koster mindre at producere, når man tager deres potentielle forlængelse af levetiden i betragtning. Efterhånden som solpaneler bliver mere avancerede, har tendensen været, at nyere versioner koster væsentligt mere end deres forgængere. Dette seneste videnskabelige gennembrud kan vende denne tendens og give producenter mulighed for at tilbyde bedre produkter til en lavere pris.

Forskere bag alumina‑nanopartikler

Alumina‑nanopartikler‑undersøgelsen blev fremsat af et team af ingeniører fra University of Surrey. Den angiver W. Hashini K. Perera som hovedforfatter sammen med et hold af samarbejdspartnere fra National Physical Laboratory og University of Sheffield. Nu søger teamet at videreudvikle deres forskning i forbedring af solpaneler med målet at forfine teknologien nok til at producere kommercielle produkter inden for 2‑5 år.

Virksomheder, der fører an på solpanelmarkedet

Kapløbet om ren energi har ført til fremkomsten af flere fremtrædende solpanelproducenter og markedsaktører. Fra dem, der udvikler ny teknologi, til de arbejdere, der installerer panelerne, fortsætter sektoren med at vokse. Her er en virksomhed, der er positioneret til at udnytte ethvert stort gennembrud inden for solteknologi og øge afkastet.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) trådte ind på markedet i 1999 med målet om at levere pålidelige solsystemer til det globale marked. Bemærkelsesværdigt blev virksomheden omdøbt fra Solar Cells som en del af firmaets skifte mod fotovoltaiske celler (PV). I dag har virksomheden hovedkontor i Tempe, Arizona, og tilbyder et bredt udvalg af solenergiløsninger.

Bemærkelsesværdigt er First Solar den eneste store amerikanske leverandør af solsystemer, der ikke benytter kinesisk produktion. Virksomheden fremstiller sine tyndfilm‑cadmium‑tellurid (CdTe) paneler i USA. Desuden var First Solar blandt de første virksomheder, der leverede pålidelige cadmium‑tellurid (CdTe) solmoduler til markedet.

De, der ønsker eksponering mod solsektoren, bør undersøge First Solar nærmere. Virksomheden har et godt omdømme. Derudover vil dens markedsposition gøre det muligt at introducere nye teknologier som alumina‑nanopartikler for at forbedre produkternes ydeevne. Som sådan betragtes First Solar af mange som et “Strong Buy”.

Seneste nyt om First Solar Inc.

Alumina‑nanopartikler gør solpaneler mere robuste

Behovet for at reducere afhængigheden af fossile brændstoffer har ført til en stigning i installation af solpaneler i løbet af det sidste årti. Denne seneste forskning kan bidrage til yderligere udbredelse af solsystemer ved at sænke omkostningerne og forbedre ydeevne og levetid. Derfor fortjener dette team ros for at åbne døren til fremtidige innovationer.

Lær mere om andre bæredygtige energinyheder Nyheder.

Studier refereret:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}