Forskere løser stor udfordring i masseproduktion af billige solceller

Et internationalt hold af universitetsforskere rapporterer i dag at løse en stor fremstillingsudfordring for perovskitceller - de spændende potentielle udfordrere til siliciumbaserede solceller.

Disse krystallinske strukturer viser meget lovende, fordi de kan absorbere næsten alle bølgelængder af lys. Perovskite solceller er allerede kommercialiseret i lille skala, men de seneste store forbedringer i deres strømkonverteringseffektivitet (PCE) driver interessen for at bruge dem som billige alternativer til solpaneler.

I forsideartiklen offentliggjort online i dag for den 28. juni, 2018 udgave af Nanoskala , en udgivelse af Royal Society of Chemistry, forskerholdet afslører en ny skalerbar måde at anvende en kritisk komponent på perovskitceller for at løse nogle store fremstillingsudfordringer. Forskerne var i stand til at anvende det kritiske elektrontransportlag (ETL) i perovskit-fotovoltaiske celler på en ny måde - spraybelægning - for at gennemsyre ETL med overlegen ledningsevne og en stærk grænseflade med sin nabo, perovskitlaget.

Forskningen ledes af André D. Taylor, en lektor i NYU Tandon School of Engineering's Chemical and Biomolecular Engineering Department, med Yifan Zheng, den første forfatter på papiret og en Peking University-forsker. Medforfattere er fra University of Electronic Science and Technology i Kina, Yale University, og Johns Hopkins University.

De fleste solceller er "sandwiches" af materialer lagdelt på en sådan måde, at når lys rammer cellens overflade, det exciterer elektroner i negativt ladet materiale og sætter en elektrisk strøm op ved at bevæge elektronerne mod et gitterværk af positivt ladede "huller". I perovskit-solceller med en simpel plan orientering kaldet p-i-n (eller n-i-p, når den er inverteret), perovskitten udgør det lysfangende indre lag ("i" i p-i-n) mellem den negativt ladede ETL og et positivt ladet hultransportlag (HTL).

Når de positivt og negativt ladede lag adskilles, arkitekturen opfører sig som et subatomært spil af Pachinko, hvor fotoner fra en lyskilde fjerner ustabile elektroner fra ETL, hvilket får dem til at falde mod den positive HTL-side af sandwichen. Perovskitlaget fremskynder denne strømning. Mens perovskit udgør et ideelt indre lag på grund af dets stærke affinitet både til huller og elektroner og dets hurtige reaktionstid, Fremstilling i kommerciel skala har vist sig at være udfordrende, dels fordi det er vanskeligt effektivt at påføre et ensartet ETL-lag over den krystallinske overflade af perovskitten.

Forskerne valgte forbindelsen [6, 6]-phenyl-C(61)-smørsyremethylester (PCBM) på grund af dets track record som et ETL-materiale, og fordi PCBM påført i et ru lag giver mulighed for forbedret ledningsevne, mindre gennemtrængelig grænsefladekontakt, og forbedret lysindfangning. "Der er lavet meget lidt forskning i ETL-muligheder for det plane p-i-n-design, " sagde Taylor. "Nøgleudfordringen i plane celler er, hvordan samler man dem egentlig på en måde, der ikke ødelægger de tilstødende lag?"

Den mest almindelige metode er spin casting, hvilket involverer spinning af cellen og tillader centripetalkraft at sprede ETL-væsken over perovskitsubstratet. Men denne teknik er begrænset til små overflader og resulterer i et inkonsekvent lag, der sænker solcellens ydeevne. Spin støbning er også uforlignelig med kommerciel produktion af store solpaneler ved sådanne metoder som roll-to-roll fremstilling, hvortil den fleksible p-i-n plane perovskit-arkitektur ellers er velegnet.

Forskerne vendte sig i stedet til spraybelægning, som påfører ETL ensartet over et stort område og er velegnet til fremstilling af store solpaneler. De rapporterede en effektivitetsforøgelse på 30 procent i forhold til andre ETL'er – fra en PCE på 13 procent til over 17 procent – ​​og færre defekter.Tilføjede Taylor, "Vores tilgang er kortfattet, meget reproducerbar, og skalerbar. Det antyder, at sprøjtebelægning af PCBM ETL kunne have en bred appel til at forbedre effektiviteten af ​​perovskit-solceller og give en ideel platform for rekordstore p-i-n perovskite-solceller i den nærmeste fremtid."