Čendu, Ķīna – 2025. gada 20. oktobris– Ķīnas Elektroniskās zinātnes un tehnoloģijas universitātes (UESTC) pētnieki ir nozīmīgs sasniegums atjaunojamās enerģijas jomā ir izstrādājuši perovskīta saules bateriju, kuras sertificēta jaudas pārveidošanas efektivitāte ir 25,13%. Šis izrāviens tika realizēts, iekļaujot divdimensiju titāna karbīdu, kas pazīstams kā MXene, kā daudzfunkcionālu piedevu perovskīta gaismu-absorbējošajā slānī. Šis jauninājums ir nozīmīgs solis ne tikai veiktspējas uzlabošanā, bet arī stabilitātes un siltuma pārvaldības kritisko izaicinājumu risināšanā, kas vēsturiski ir kavējuši perovskīta fotoelementu komerciālu izplatīšanu.
Jaunā šūnu struktūra, kas detalizēti aprakstīta pētījumā "Multifunctional MXene for Thermal Management in Perovskite Solar Cells", kas publicētsMakro{0}}Mikro burti, ietver stikla un indija alvas oksīda (ITO) substrātu, elektronu transportēšanas slāni, kas izgatavots no alvas oksīda (SnO₂), MXene{0}}modificētu perovskīta absorbētāju, caurumu transportēšanas slāni, izmantojot Spiro-OMeTAD, un zelta metāla kontaktu.
Šīs attīstības pamatā ir MXene unikālas īpašības. Šie savienojumi, kas nosaukti to grafēna -līdzīgās struktūras dēļ, ir pazīstami ar izcilu metālisku vadītspēju, augstu lādiņa nesēju mobilitāti un regulējamām virsmas īpašībām. Kad Ti₃C₂Tₓ MXene nanoloksnes ir iestrādātas perovskīta slānī, tās darbojas kā daudzpusīgs komponents, kas vienlaikus uzlabo siltuma izkliedi un optoelektronisko veiktspēju.
"Saules enerģijas pētniecības kopiena ir meklējusi materiālu, kas vienlaikus var optimizēt lādiņu ieguvi, uzlabot stabilitāti un viegli apstrādāt. MXene daudzfunkcionālās priekšrocības izceļ tā lielo potenciālu perovskīta saules bateriju konstruēšanā ar ne tikai augstu jaudas pārveidošanas efektivitāti, bet arī izcilu termisko stabilitāti," norādīja pētnieku grupa.
Viena no svarīgākajām MXene piedevas funkcijām ir tās loma siltuma pārvaldībā. Nepārtrauktā saules gaismā siltuma uzkrāšanās saules baterijās ir galvenais darbības pasliktināšanās cēlonis. Pētnieku grupa pierādīja, ka Ti₃C₂Tₓ nanoloksnes iekļaušana perovskīta plēvē radīja efektīvus siltuma vadīšanas ceļus. Tas palielināja slāņa siltumvadītspēju no 0,236 W·m⁻¹·K⁻¹ līdz 0,413 W·m⁻¹·K⁻¹. Līdz ar to saules baterijas darba temperatūra standarta apgaismojuma apstākļos tika samazināta par aptuveni 3 grādiem, no 42,96 grādiem līdz 39,97 grādiem, ievērojami mazinot siltuma -izraisīto degradāciju.
Papildus siltuma pārvaldībai MXene nanosheets sniedza vairākas citas priekšrocības. Tie kalpoja kā efektīvi defektu pasivatori pie perovskīta kristālu graudu robežām, samazinot lādiņu rekombinācijas zudumus . Tas noveda pie viendabīgākas un gludākas perovskīta plēves ar lielāku graudu izmēru, ko apstiprina plēves raupjuma samazināšanās no 24, 9 nm līdz 15, 2 nm . Turklāt modificētajai perovskīta plēvei redzamajā reģionā bija spēcīgāka gaismas absorbcija .
Šo uzlabojumu kopējā ietekme radīja rekordu{0}}veiktspēju. Čempionu ierīce sasniedza jaudas pārveidošanas efektivitāti par 25,13%, kas ir ievērojams pieaugums salīdzinājumā ar 23,70% atsauces elementa efektivitāti bez MXene. Tam bija arī izcili elektriskie raksturlielumi ar atvērtās-ķēdes spriegumu 1,177 V, īsslēguma strāvas blīvumu 25,29 mA cm⁻² un aizpildījuma koeficientu 84,4% .
Iespējams, tikpat svarīgs kā efektivitātes lēciens ir ievērojamais ierīces stabilitātes uzlabojums. MXene{1}}bāzētā šūna saglabāja aptuveni 80% no sākotnējās efektivitātes pēc 500 stundu ilgas iedarbības augstā-85 grādu temperatūras apstākļos un aptuveni 30{12}}35% relatīvā mitruma apstākļos. Stabilitātes testā, kas tika veikts slāpekļa atmosfērā ar maksimālā jaudas punkta izsekošanu, ierīce saglabāja 70% no sākotnējās efektivitātes pēc 500 stundām, ievērojami pārspējot kontroles elementu, kas pasliktinājās līdz 20% no sākotnējās veiktspējas. Šī spēcīgā stabilitāte ir būtisks rādītājs tehnoloģijas potenciālam ilgstošai darbībai.
Neskatoties uz daudzsološajiem rezultātiem, pētnieku grupa atzina, ka komercializācijas ceļā joprojām ir izaicinājumi, kas galvenokārt saistīti ar Ti₃C₂Tₓ materiālu sintezēšanas augstajām izmaksām un sarežģītību. Turpmākajos pētījumos galvenā uzmanība tiks pievērsta sintēzes maršrutu optimizēšanai, lai samazinātu izmaksas un uzlabotu reproducējamību. Alternatīvu MXene materiālu, piemēram, Ti₂CTₓ, izpēte ir arī galvenais turpmākā darba virziens.
Šis sasniegums, kas panākts ar MXene stratēģisko integrāciju, izgaismo gaišāku un efektīvāku saules enerģijas nākotni. Tas pietuvojas dienai, kad augstas veiktspējas, izturīgas un ekonomiskas perovskīta fotoelementi kļūst ievērojami tuvāki par galveno tīras enerģijas avotu.
Attiecībā uz Ķīnas Elektroniskās zinātnes un tehnoloģijas universitāti (UETC):
Ķīnas Elektronisko zinātņu un tehnoloģiju universitāte ir sena valsts universitāte{0}}, kas ir slavena ar savām pētniecības programmām, kas koncentrējas uz elektroniskajām un informācijas zinātnēm, materiālu zinātnēm un enerģijas tehnoloģijām.
