Nowy przełom w badaniach nad ogniwami słonecznymi: odkryto materiały przyszłości!

Nowy przełom w badaniach nad ogniwami słonecznymi: odkryto materiały przyszłości!

Naukowcy z Uniwersytetu Saarland opracowali innowacyjną metodę analizy chropowatych powierzchni krzemu, co jest szczególnie ważne w technologii fotowoltaicznej. To nowatorskie podejście łączy mikroskopię sił atomowych (AFM) i rentgenowską spektroskopię fotoelektronów (XPS) w celu precyzyjnej analizy chropowatości powierzchni. Metodę tę stosuje się głównie do czarnego krzemu, nanostrukturalnej powierzchni krzemu, która odgrywa ważną rolę w wydajności ogniw słonecznych. Wyniki tych badań opublikowano w czasopiśmie Small Methods uni-saarland.de zgłoszone.

Opracowaniem tej metody kierował zespół kierowany przez profesor fizyki Karin Jacobs i współpracowników z Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR). Głównym celem badań jest korekta błędów spowodowanych chropowatością powierzchni. XPS jest znaną metodą określania składu chemicznego powierzchni, ale wykazano, że jest podatny na zniekształcenia na chropowatych powierzchniach, takich jak czarny krzem. Uwzględnienie pomiarów AFM w celu dokładnego określenia topografii powierzchni pozwala uniknąć tradycyjnego przeszacowania grubości warstwy tlenku.

Zastosowanie tensorów Minkowskiego

Kluczem do tej ulepszonej analizy jest zastosowanie tensorów Minkowskiego, które umożliwiają precyzyjne określenie lokalnego nachylenia powierzchni. Stwarza to warunki do dokładniejszego określenia grubości warstwy tlenku na czarnym krzemie, która jest tylko od 50 do 80 procent grubsza niż natywna warstwa tlenku na konwencjonalnych płytkach krzemowych. Bez korekty na podstawie danych AFM przeszacowanie grubości mogłoby wynosić około 300 procent. Takie postępy w technologii analizy powierzchni mają kluczowe znaczenie dla badań materiałów i rozwoju nowych technologii w dziedzinie fotowoltaiki, optoelektroniki i nanotechnologii.

Badania są finansowane przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) w ramach programu priorytetowego SPP 2265 i Collaborative Research Center SFB 1027. Finansowanie to podkreśla znaczenie prac dla przyszłego rozwoju materiałów w dziedzinie energii odnawialnych, co jest pilnie potrzebne do dalszego zwiększania wydajności ogniw słonecznych.

Nowe podejście do rozwoju materiałów

Równolegle do tych osiągnięć naukowcy z Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen-Norymberdze (FAU), Instytutu Helmholtza w Erlangen-Norymberdze i Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT) pracują nad nowym procesem poszukiwania wysokowydajnych materiałów do perowskitowych ogniw słonecznych. Podejście to łączy modelowanie obliczeniowe i platformy autonomicznej syntezy z obliczeniami teorii kwantowej w celu przewidywania odpowiednich związków materiałowych i przeprowadzania zautomatyzowanych testów, raporty fau.de.

Badania prowadzone pod kierunkiem prof. Christopha Brabeca wypowiedziały wojnę dotychczasowym metodom opartym na próbach i błędach. Zamiast tego przyjęto podejście hybrydowe, które wykorzystuje uczenie maszynowe (ML) do przewidywania struktur i właściwości molekularnych. Do uczenia modeli wykorzystano około 100 cząsteczek, co umożliwiło identyfikację najsilniejszych kandydatów na materiały z wydajnością sięgającą 24 procent. Wartości te znacznie przekraczają dotychczasową wartość referencyjną wynoszącą 22 proc.

Ogólnie rzecz biorąc, te projekty badawcze pokazują, w jaki sposób nowoczesne technologie i innowacyjne podejścia mogą ze sobą współdziałać, aby znacznie zwiększyć wydajność ogniw słonecznych. Wykorzystując metody umożliwiające zarówno bardziej precyzyjne pomiary, jak i ukierunkowany rozwój materiałów, fotowoltaika zostanie wzmocniona i dalej rozwijana jako kluczowa technologia przyszłej produkcji energii.