Gul er ikke det nye sort:Discovery baner vejen for en ny generation af solceller

En undersøgelse ledet af KU Leuven for første gang forklarer, hvordan en lovende type perovskitter - menneskeskabte krystaller, der kan omdanne sollys til elektricitet - kan stabiliseres. Som resultat, krystallerne bliver sorte, gør dem i stand til at absorbere sollys. Dette er nødvendigt for at kunne bruge dem i nye solpaneler, der er nemme at lave og yderst effektive. Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskab .

Perovskites er halvledermaterialer, der har mange anvendelser. De viser særligt lovende i høst af solenergi. I øjeblikket, de fleste solceller er lavet af siliciumkrystaller, et relativt ligetil og effektivt materiale at bearbejde til dette formål. Imidlertid, perovskit-baserede enheder tilbyder højere konverteringseffektivitet end silicium. Det eneste problem:nogle af de mest lovende perovskitter, nemlig cæsium blytriiodid (CsPbI ₃ ), er meget ustabile ved stuetemperatur. Under disse forhold, de har en gul farve, da atomerne i krystallen ikke danner en perovskitstruktur. For at krystallerne kan absorbere sollys effektivt og omdanne det til elektricitet, de skal være i sort, perovskite-tilstand - og forbliv på den måde.

"Silicon danner en meget stærk, stiv krystal. Hvis du trykker på den, det vil ikke ændre sin form. På den anden side, perovskitter er meget blødere og mere formbare, " forklarer Dr. Julian Steele fra KU Leuven Center for Membrane Separations, Adsorption, Katalyse, og Spectroscopy for Sustainable Solutions (cMACS). "Vi kan stabilisere dem under forskellige laboratorieforhold, men ved stuetemperatur, de sorte perovskit-atomer ønsker virkelig at blande sig, ændre struktur, og i sidste ende bliver krystalgulen."

Sammen med et internationalt hold af forskere, Steele opdagede, at ved at binde en tynd film af perovskit-solceller til en glasplade, cellerne kan opnå og bevare deres ønskede sorte tilstand. Den tynde film opvarmes til en temperatur på 330 grader Celsius, får perovskitterne til at udvide sig og klæbe til glasset. Efter opvarmning, filmen køles hurtigt ned til stuetemperatur. Denne proces fikserer atomerne i krystallerne, begrænse deres bevægelser, så de bliver i den ønskede sorte form.

"Der er tre søjler, der bestemmer kvaliteten af ​​solceller:pris, stabilitet, og ydeevne. Perovskites scorer højt på ydeevne og pris, men deres stabilitet er stadig et stort problem, " siger Steele. Forskere havde allerede i flere år observeret, at perovskitter kan bevare deres sorte efter opvarmning, men det var endnu uklart hvorfor. "I vores undersøgelse, vi valgte CsPbI ₃ fordi dens ydeevne er meget høj, " Steel forklarer. "Derudover, det er en af ​​de mest ustabile typer af perovskitter, hvilket betyder, at den er følsom over for den metode, vi beskriver, og bør oversættes til andre ustabile perovskitter."

En stor del af de data, der blev brugt i undersøgelsen, blev indsamlet på European Synchrotron Radiation Facility. For at forstå de eksperimentelle observationer på molekylær skala, kolleger ved Gent Universitets Center for Molekylær Modellering (CMM) understøttede fundet med teoretiske simuleringer af de sorte og gule faser af perovskitterne. De beregningsmæssige resultater var nødvendige for at rationalisere, hvorfor den sorte fase stabiliseres, når den fikseres som en tynd film til et glassubstrat.

Hvordan bindingen foregår nøjagtigt, er stadig et mysterium, selvom der er hypoteser. "Normalt, vi ville tage et mikroskop med atomopløsning og direkte se. Imidlertid, det er umuligt med perovskites, da de er svære at observere med et så højopløseligt billedinstrument, da de er så bløde og tilbøjelige til at falde fra hinanden under den relativt høje energi fra almindelige sonder."

"Forståelse af, hvordan denne mekanisme virker, vil hjælpe yderligere forskning for i sidste ende at udvikle solpaneler, der bruger rene perovskitkrystaller, " siger Steele. "Da indgangsniveauet for behandling af perovskit-baserede solceller er relativt lavt, de kan være meget gavnlige for mennesker i udviklingslande, der opererer i en mere begrænset infrastruktur." Derudover, perovskiter kan bruges i lysdioder, fotoelektriske sensorer, transistorer, Røntgendetektorer og meget mere.