Et krystalklart skridt tættere på kommercielle solceller

En syntetisk tilgang udviklet af KAUST-forskere genererer homogene og defektfrie krystaller, der kan fremskynde kommercialiseringen af ​​perovskit-solceller.

"Perovskite solceller er den hurtigst udviklende type fotovoltaisk teknologi, med strømkonverteringseffektiviteter, der steg fra 3,8 procent i 2009 til 24,2 procent i 2019 for enheder med enkelt kryds, " siger Osman Bakr, der ledede undersøgelsen med Omar Mohammed. Denne hurtige stigning i ydeevne er forbundet med billig og enkel enhedsfremstilling, hvilket gør disse solceller kommercielt tiltalende.

Solcellernes ydeevne og stabilitet afhænger af morfologien af ​​de tynde perovskitfilm, som fungerer som lys-høstende lag i apparaterne. Ud over deres lave omkostninger og nemme behandling, disse materialer har exceptionelle optiske og transportegenskaber. Hybride blybaserede perovskitter, der kombinerer en methylammoniumkation med flere halogenider, såsom de anioniske former for brom og jod, præsentere et smalt og afstembart optisk båndgab. Dette båndgab nærmer sig den teoretiske værdi, der kræves for at nå den maksimale konverteringseffektivitet for en solcelle med enkelt kryds. Derfor, perokskites kunne blive en valgfri erstatning for siliciumbaserede solmaterialer.

Imidlertid, eksisterende perovskit-solceller består normalt af polykrystallinske tynde film, der er meget uordnede og defekte, som forhindrer enheder i at opnå optimal ydeevne.

For at løse dette problem, Bakr og Mohammed har nu produceret et højt billedformat, enkelt-krystal film af methylammonium bly-triiodid perovskites. De opnåede dette ved at starte krystallisationen mellem to polymer-coatede substrater, der derefter fysisk ville begrænse krystalvækst til én dimension under opvarmning.

Sammenlignet med deres polykrystallinske modstykker, enkeltkrystal perovskiter viser væsentligt lavere defekttæthed og meget højere ladningsbærer-diffusionslængder:dette er et mål for deres evne til at holde lysgenererede elektroner adskilt fra positivt ladede huller og skabe elektrisk strøm. Derfor, "Vi begrundede, at disse enkeltkrystaller giver en chance for perovskit-solcelleteknologi til at overvinde disse begrænsninger og komme så tæt som muligt på den teoretiske effektivitetsgrænse, " siger Mohammed.

Krystallerne, som udviste en tykkelse på 20 mikrometer og et areal på flere kvadratmillimeter, leverede solceller af høj kvalitet med en maksimal effektkonverteringseffektivitet på 21,09 procent. Disse enheder sætter en ny præstationsrekord for perovskite enkrystal solceller.

"Vi blev glædeligt overrasket over disse resultater, " siger Bakr. Han tilføjer, at forskerne oprindeligt troede, at de ville være nødt til at dyrke krystaller meget tyndere end 20 mikrometer for at opnå denne ydeevne, og at dyrke tynde krystaller er ekstremt udfordrende.

Forskerne mener, at denne rekordeffektivitet fremhæver den potentielle rolle af enkeltkrystaller i udviklingen af ​​perovskitholdige enheder parallelt med den vej, deres polykrystallinske modstykker tager.