Timu ya Martin Green kuhusu Perovskite angani: Upotevu wa 20%
Jedwali la Yaliyomo
Jibu la haraka: Utafiti kutoka kwa kikundi cha Martin Green unabadilisha dhana ya kawaida kuhusu seli za sola za perovskite angani. Kikwazo kinachotajwa mara nyingi kwa photovoltaic ya angani ni mionzi ya cosmic, lakini vipimo hapa vinaelekeza badala yake kwa mzunguko wa joto: seli ya perovskite iliyo kwenye obiti hupitia kilele cha takriban 80 °C hadi −80 °C, na nyenzo haistahimili kiwango hicho vizuri kama mazingira ya mionzi. Data ya satelaiti kutoka NOAA-21 ilirekodi mabadiliko ya joto ikiwa ni pamoja na mabadiliko ya takriban 6.77 °C na 16 °C ndani ya vipindi vifupi, na uchanganuzi unalinganisha haya na takwimu za upoaji wa mionzi karibu 1.89 °C na 1.67 °C. Hitimisho la kivitendo ni kwamba maendeleo ya perovskite angani yanapaswa kulenga uthabiti wa joto kwanza. Kwa utengenezaji wa nchi kavu, udhaifu huo huo ndio unaofanya dirisha la lamination na encapsulant kwa seli za perovskite tandem kuwa dogo zaidi kuliko la silicon.
Utengenezaji wa Moduli za PV · na Jerry, Ooitech
Utangulizi
Ukweli wa kushangaza: kikwazo kikubwa kwa "ndoto ya anga" ya perovskite si mionzi ya anga — ni mabadiliko ya joto ya makumi ya digrii ambayo satelaiti huvumilia inapozunguka Dunia mara 15 kwa siku. Karibu sawa na mabadiliko ambayo moduli za silicon ya fuwele hukabiliana nayo katika jaribio la TC.
Siku chache zilizopita rafiki yangu anayefanya kazi na mifumo ya nishati ya satelaiti aliniuliza: "Ninyi watu wa PV mnazidi kusema jinsi perovskite ilivyo na ufanisi. Inaweza kutumika kwenye satelaiti ndogo? Ni nyepesi, ina msongamano mkubwa wa nishati."
Nikamwambia: "Usikimbilie kuangalia ufanisi. Unajua satelaiti hupitia mishtuko mingapi ya joto katika siku moja ikiwa kwenye obiti?"
Akasema: "Si ni joto mchana na baridi usiku?"
"Ndiyo, lakini unajua inapata joto kwa kasi gani kutoka -80°C hadi +80°C?"
Akafikiri: "Digrii chache kwa dakika?"
"Data iliyopimwa: 6.77°C kwa dakika. Baadhi ya maabara, ili kuiga mazingira ya anga, hupandisha moja kwa moja hadi 16°C kwa dakika."
Akanyamaza: "Perovskite inaweza kuhimili hilo?"
"Haiwezi. Kuna karatasi mpya kabisa katika jarida dada la Nature inayochunguza hili hasa."
Karatasi hii (Energy & Environmental Science, DOI:10.1039/d5ee03704b) ni ushirikiano kati ya UNSW, KRICT ya Korea, na Chuo Kikuu cha Surrey cha Uingereza. Walitumia data halisi ya satelaiti kufafanua kiwango cha upimaji, kisha wakatupa perovskite kwenye chumba cha mshtuko wa joto cha -80°C hadi +80°C kwa mizunguko 100 ili kuona kinachosalia.
Niacheni nichambue hili kwa lugha rahisi ya PV.
Mshtuko wa Joto Angani Ni Mkali Sana Kuliko Unavyofikiri
Katika Obiti ya Chini ya Dunia (LEO, urefu wa 200-2000 km), satelaiti huzunguka Dunia mara 15 kwa siku. Kila obiti hupitia mabadiliko kutoka mwanga wa jua hadi kivuli cha Dunia na kurudi kwenye mwanga wa jua.
Mchakato huu una kasi gani?
Angalia Kielelezo 2c: data iliyopimwa kutoka satelaiti NOAA-21 — kutoka kivulini kuingia kwenye mwanga wa jua, kasi ya kupata joto ni 6.77°C/min. Kutoka mwanga wa jua kuingia kivulini, kasi ya kupoa ni ya upole zaidi, karibu 1.89°C/min (kwa sababu joto hutolewa kwa mionzi, ambayo ni ya polepole).
Kiwango hiki ni haraka mara 4 kuliko 1.67°C/min inayohitajika na kiwango cha IEC 61215 cha ngazi ya chini.
Kiwango cha joto cha uso wa satelaiti kinapimwa kati ya -90°C na +80°C (Kielelezo 1b). Kiwango cha kufuzu cha ECSS (Ushirikiano wa Ulaya wa Kuweka Viwango vya Anga) ni pana zaidi: -175°C hadi +125°C.
Kwa hivyo karatasi hii ilifafanua hali ifuatayo ya jaribio la kuharakisha (Kielelezo 2d):
Kiwango cha joto: -80°C ↔ +80°C
Kasi ya kupanda: 16°C/min
Idadi ya mizunguko: 100
16°C/min ni mara 2.4 ya kasi iliyopimwa ya NOAA-21. Hii si "uigaji" tena — ni kuzeeka kwa kuharakisha, kwa kutumia hali kali zaidi kufichua haraka udhaifu wa nyenzo.
Kinachotokea kwa Perovskite Chini ya Mshtuko wa Joto
Nyenzo waliyotumia ni FAPbI₃, mojawapo ya mifumo ya perovskite ya muunganisho mmoja yenye ufanisi wa juu zaidi inayopatikana (ufanisi wa maabara >27%). Lakini FAPbI₃ ina udhaifu mbaya: haina utulivu wa kudumu kwenye joto la kawaida na hubadilika kwa urahisi kutoka awamu ya α (nyeusi, hai sana) hadi awamu ya δ (njano, isiyo hai).
Ili kuimarisha awamu ya α, kiasi kidogo cha MAPbBr₃ kawaida huongezwa. Karatasi ilijaribu viwango vitano: 0%, 1%, 3%, 5%, na 7%.
Angalia uigaji wa mienendo ya molekuli (Kielelezo 3a): inapopasha FAPbI₃ kutoka -80°C hadi 80°C, kipimo cha kimiani kinakua, oktahedra za PbI₆ zinaanza kupinda, na uhamishaji wa ioni za FA unazidi — muundo "unatetemeka."
Sasa angalia XRD baada ya mizunguko 100 ya mshtuko wa joto (Kielelezo 3c-d):
| Mkusanyiko wa MAPbBr₃ | 0% | 1% | 3% | 5% | 7% |
|---|---|---|---|---|---|
| Mabadiliko baada ya mshtuko wa joto | Kiasi kikubwa cha awamu ya δ kinaonekana | Imara | Imara | Imara | PbI₂ inaongezeka |
Hitimisho: kuongeza kidogo (1-5%) huimarisha awamu ya α, lakini kuongeza nyingi sana (7%) hutoa PbI₂, ambayo kwa kweli ni mbaya zaidi.
Sasa angalia KPFM (Kelvin Probe Force Microscopy) ikipima uwezo wa uso (Kielelezo 4):
Sampuli ya 1%: baada ya mshtuko wa joto, tofauti ya uwezo kati ya punje huongezeka, ikionyesha mipaka ya punje inakuwa vituo vya muunganisho
Sampuli ya 5%: baada ya mshtuko wa joto, mgawanyo wa uwezo ni sare zaidi na uharibifu ni mdogo
Karatasi inatumia SPV (Surface Photovoltage) kupima hii — SPV ya juu, ndivyo vibebaji vilivyozalishwa na mwanga vinatenganishwa vizuri. SPV ya sampuli ya 5% ni takriban mara 1.5 ya sampuli ya 1%.
Imetengenezwa Katika Seli, Ni Kiasi Gani Kilichobaki
Walijenga muundo kamili wa seli: ITO/SnO₂/perovskite/PEAI/PTAA/Au, uliofungwa kwa utupu na kutupwa kwenye chumba cha mshtuko wa joto.
Matokeo (Kielelezo 5b):
| Mkusanyiko wa MAPbBr₃ | 1% | 5% |
|---|---|---|
| Uhifadhi wa ufanisi baada ya mshtuko wa joto | ~62% | ~80% |
Sampuli ya 5%, baada ya kustahimili mizunguko 100 ya mshtuko wa joto wa -80°C ↔ +80°C, bado ilihifadhi takriban 80% ya ufanisi wake.
Angalia mikondo ya J-V (Kielelezo 5c-d):
Sampuli ya 1%: Jsc na FF hupungua vibaya
Sampuli ya 5%: umbo la mkunjo limehifadhiwa vizuri zaidi
EQE (Kielelezo 5e-f) inathibitisha: sampuli ya 1% hupungua katika bendi nzima, wakati sampuli ya 5% hupungua kidogo tu katika eneo la urefu mrefu wa mawimbi (700-800nm) — labda kutokana na kutofautiana kwa upanuzi wa joto kwenye kiungo.
Inafanya Vipi katika Urefu wa 35 km
Baada ya majaribio ya maabara, walihitaji kitu halisi. Kwa kushirikiana na Chuo Kikuu cha Pisa nchini Italia, walipeleka seli hizo hadi urefu wa 35 km kwa puto ya urefu wa juu (Kielelezo 6a).
Katika urefu huu, shinikizo la anga ni 2% tu ya kiwango cha chini, msongamano wa hewa ni 1.5%, joto linaweza kufikia -40°C, na seli zinakabiliana na mionzi ya UV ya karibu na anga na wigo wa AM0.
Matokeo (Kielelezo 6f):
Sampuli ya 1%: PCE hupungua polepole kadri urefu unavyoongezeka
Sampuli ya 5%: PCE hupanda kadri urefu unavyoongezeka
Kwa nini sampuli ya 5% inafanya vizuri zaidi katika urefu wa juu? Kadri urefu unavyoongezeka, mwanga huongezeka na Jsc inapaswa kuongezeka kwa mstari. Lakini mteremko wa ongezeko la Jsc wa sampuli ya 1% ni 0.00016 tu, wakati wa sampuli ya 5% ni 0.00364 — tofauti ya mpangilio wa ukubwa.
Hii inaonyesha sampuli ya 1% inakumbana na muunganisho mbaya usio wa mionzi — wabebaji wanaozalishwa na mwanga humezwa na kasoro za mipaka ya nafaka kabla hata ya kutokea. Data ya KPFM SPV ilikuwa tayari imetabiri matokeo haya.
Mambo ya Kuzingatia kwa Wahandisi wa Mistari ya Uzalishaji
Usiangalie tu ufanisi — angalia ni kiasi gani inaweza kustahimili
Karatasi hii inatoa mfumo thabiti wa upimaji: tumia mshtuko wa joto wa haraka wa 16°C/min kwa kuzeeka kwa kasi, kisha tumia puto ya urefu wa juu kwa uthibitisho wa karibu na anga.
Sisi hatujengi satelaiti, lakini mbinu hii inaweza kuhamishwa — wakati wa kutathmini nyenzo mpya na michakato mipya, fikiria kutumia viwango vya haraka vya kupanda kwa joto kwa "upimaji wa mkazo" ili kufichua matatizo ya kiungo na mipaka ya nafaka mapema.
Mbinu za uimarishaji zinaweza kuleta matatizo mapya
Kuongeza MAPbBr₃ kwenye FAPbI₃ kwa kweli huimarisha awamu ya α. Lakini kuongeza nyingi mno (7%) husababisha PbI₂ kutoka na kufanya mambo kuwa mabaya zaidi.
Hii ni mantiki sawa na kifuniko uteuzi wa filamu — hakuna kichocheo cha ulimwengu wote, ni "hatua ya usawa" tu. Wakati wa kuchagua, huwezi kuangalia tu "kama ipo" — lazima uangalie "kiasi gani."
Data ya maabara na data ya mwinuko wa juu zinalingana
Sehemu imara zaidi ya karatasi hii ni kwamba tofauti ya SPV iliyopimwa na KPFM inaweza kutabiri tofauti ya mteremko wa Jsc, na kushuka kwa EQE katika urefu mrefu wa mawimbi kunalingana na kutolingana kwa upanuzi wa joto wa kiolesura.
Uchambuzi mzuri wa kushindwa unapaswa kukuruhusu kutumia zana za maabara kutabiri utendaji wa uwandani mapema.
Utulivu wa silicon ya fuwele ni ngome yake kubwa
Angalia masharti ya majaribio ya karatasi hii: -80°C hadi +80°C, mizunguko 100, 16°C/min.
Hii bado haifikii kiwango cha ECSS, lakini tayari ni kawaida kwa silicon ya fuwele. Katika jaribio la TC200 (mizunguko 200 ya joto) kutoka -40°C hadi +85°C, silicon ya fuwele inashindwa ikiwa uharibifu unazidi 2%.
Ili perovskite ichukue nafasi ya silicon ya fuwele, haitoshi kufikia ufanisi — lazima istahimili miaka 25 chini ya viwango sawa vya majaribio.
Kura ya Maingiliano
Unaamini perovskite inaenda angani?
Acha mawazo yako kwenye maoni.
Taarifa za Marejeleo
Kichwa: Towards space compatible perovskite solar cells: guidelines for thermal shock resilience and near space balloon testing
Mwaka: 2026
DOI: 10.1039/d5ee03704b
Maoni ya Ooitech
Ooitech inaamini: njia ya perovskite kuelekea angani haitegemei kufukuza ufanisi, bali kustahimili mizunguko ya mshtuko wa joto — na uvumilivu huo, sio ufanisi mbichi, ndio kipimo halisi cha thamani ya seli ya jua.
