Ligesom tandpasta:Fluorid forbedrer radikalt stabiliteten af ​​perovskit -solceller

Solceller fremstillet af perovskit holder meget løfte om fremtiden for solenergi. Materialet er billigt, let at producere og næsten lige så effektiv som silicium, det materiale, der traditionelt bruges i solceller. Imidlertid, perovskit nedbrydes hurtigt, begrænser dets effektivitet og stabilitet kraftigt over tid. Forskere fra Eindhoven University of Technology, energiforskningsinstitut DIFFER, Peking University og University of Twente har opdaget, at tilsætning af en lille mængde fluor til perovskitten efterlader et beskyttende lag, øger materialernes og solcellernes stabilitet betydeligt. Solcellerne bevarer 90 procent af deres effektivitet efter 1000 timers drift under forskellige ekstreme testforhold. Resultaterne offentliggøres i dag i det førende videnskabelige tidsskrift Naturenergi .

Fordi de er så billige at lave, perovskite solceller har været i centrum for meget nyere solforskning. Som en konsekvens, deres effektivitet er steget fra mindre end 4 procent i 2009 til over 24 procent på nuværende tidspunkt, som er tæt på traditionelle siliciumceller. Såkaldte tandemceller, som kombinerer silicium- og perovskitceller, opnå en effektivitet på mere end 28 procent.

På trods af denne succes, perovskite har en række fejl på grund af materialets art og den måde, det fremstilles på. Over tid, ledige pladser i metalhalogenidets atomære struktur udløser nedbrydning af perovskitten under påvirkning af fugt, lys og varme.

Beskyttende lag

Forskerne i Eindhoven, Twente og Beijing har eksperimenteret med en ny type perovskit, ved tilsætning af en lille mængde fluor i produktionsprocessen. Ligesom fluor i tandpasta, fluoridionerne danner et beskyttende lag omkring krystallen, forhindrer spredning af de skadelige fejl.

"Vores arbejde har forbedret stabiliteten af ​​perovskite solceller betydeligt, "siger Shuxia Tao, adjunkt ved Center for Computational Energy Research, et fælles center for Institut for Anvendt Fysik i TU/e ​​og DIFFER, og medforfatter af papiret. "Vores celler opretholder 90 procent af deres effektivitet efter 1000 timer under ekstreme lys- og varmeforhold. Det er mange gange så længe som traditionelle perovskitforbindelser. Vi opnår en effektivitet på 21,3 procent, hvilket er et meget godt udgangspunkt for yderligere effektivitetsgevinster. "

På grund af dets høje elektronronativitet, fluorid stabiliserer perovskitgitteret ved at danne stærke hydrogenbindinger og ioniske bindinger på overfladen af ​​materialet.

Meget af arbejdet fra teamet fra Eindhoven er gået i at forklare, hvorfor fluor er en så effektiv ingrediens sammenlignet med andre halogener. Ved hjælp af computersimuleringer konkluderer de, at en del af dens succes skyldes den lille størrelse og høje elektronegativitet af fluoridioner. Jo højere elektronegativitet et element har, jo lettere det tiltrækker elektroner fra nærliggende elementer. Dette hjælper fluoridioner med at danne stærke bindinger med de andre elementer i perovskitforbindelsen, danner et stabilt beskyttende lag.

Fremtidig forskning

Undersøgelsen ses som et vigtigt skridt i retning af en vellykket implementering af perovskite solceller i fremtiden. Imidlertid, meget arbejde er tilbage. Guldstandarden i solindustrien er en tilbageholdelsesgrad på mindst 85 procent af den oprindelige effektivitet efter ti til femten år, en standard, der stadig er et stykke væk for perovskitceller.

"Vi forventer, at det vil tage yderligere fem til ti år for disse celler at blive et kommercielt levedygtigt produkt. Ikke alene har vi brug for at forbedre deres effektivitet og stabilitet yderligere, vi har også brug for at få en bedre teoretisk forståelse af de relevante mekanismer på atomskalaen. Vi har stadig ikke alle svarene på, hvorfor nogle materialer er mere effektive end andre til at øge disse cellers stabilitet på lang sigt, "siger Tao.