Opløsningsmiddelundersøgelse løser solcelleholdbarhedspuslespil

Rice Universitys ingeniører siger, at de har løst en langvarig gåde med at lave stabile, effektive solpaneler af halogenidperovskiter.

Det krævede at finde det rigtige opløsningsmiddeldesign for at påføre et 2D-toplag med ønsket sammensætning og tykkelse uden at ødelægge det nederste 3D-lag (eller omvendt). En sådan celle ville gøre mere sollys til elektricitet end begge lag alene, med bedre stabilitet.

Den kemiske og biomolekylære ingeniør Aditya Mohite og hans laboratorium på Rice's George R. Brown School of Engineering rapporterede i Science deres succes med at bygge tynde 3D/2D solceller, der leverer en effektkonverteringseffektivitet på 24,5 %.

Det er lige så effektivt som de fleste kommercielt tilgængelige solceller, sagde Mohite.

"Dette er virkelig godt for fleksible, bifaciale celler, hvor lys kommer ind fra begge sider, og også for celler, der kommer i kontakt med ryggen," sagde han. "2D-perovskitterne absorberer blå og synlige fotoner, og 3D-siden absorberer nær-infrarød."

Perovskiter er krystaller med terningelignende gitter, der er kendt for at være effektive lyshøstere, men materialerne har en tendens til at blive stresset af lys, fugt og varme. Mohite og mange andre har arbejdet i årevis for at gøre perovskit-solceller praktiske.

Det nye fremskridt, sagde han, fjerner stort set den sidste store blokering for kommerciel produktion.

"Dette er vigtigt på flere niveauer," sagde Mohite. "Den ene er, at det grundlæggende er udfordrende at lave et opløsningsbehandlet dobbeltlag, når begge lag er det samme materiale. Problemet er, at de begge opløses i de samme opløsningsmidler.

"Når du lægger et 2D-lag oven på et 3D-lag, ødelægger opløsningsmidlet det underliggende lag," sagde han. "Men vores nye metode løser dette."

Mohite sagde, at 2D perovskitceller er stabile, men mindre effektive til at konvertere sollys. 3D perovskites er mere effektive, men mindre stabile. Kombinationen af ​​dem inkorporerer de bedste funktioner fra begge.

"Dette fører til meget høj effektivitet, fordi vi nu, for første gang i marken, er i stand til at skabe lag med enorm kontrol," sagde han. "Det giver os mulighed for at kontrollere strømmen af ​​ladning og energi for ikke kun solceller, men også optoelektroniske enheder og LED'er."

Effektiviteten af ​​testceller udsat for laboratoriet svarende til 100% sollys i mere end 2.000 timer "nedbrydes ikke med engang 1%," sagde han. Bortset fra et glassubstrat, var cellerne omkring 1 mikron tykke.

Opløsningsbehandling er meget udbredt i industrien og inkorporerer en række teknikker - spincoating, dipcoating, bladcoating, spaltematricecoating og andre - til at afsætte materiale på en overflade i en væske. Når væsken fordamper, forbliver den rene belægning.

Nøglen er en balance mellem to egenskaber ved selve opløsningsmidlet:dets dielektriske konstant og Gutmann-donornummer. Den dielektriske konstant er forholdet mellem materialets elektriske permeabilitet og dets frie rum. Det bestemmer, hvor godt et opløsningsmiddel kan opløse en ionisk forbindelse. Donortallet er et mål for opløsningsmiddelmolekylernes elektrondonerende evne.

"Hvis du finder sammenhængen mellem dem, vil du opdage, at der er omkring fire opløsningsmidler, der giver dig mulighed for at opløse perovskitter og spin-coate dem uden at ødelægge 3D-laget," sagde Mohite.

Han sagde, at deres opdagelse skulle være kompatibel med roll-to-roll-fremstilling, der typisk producerer 30 meter solcelle i minuttet.

"Dette gennembrud fører for første gang til perovskit-enhedsheterostrukturer, der indeholder mere end ét aktivt lag," sagde medforfatter Jacky Even, professor i fysik ved National Institute of Science and Technology i Rennes, Frankrig. "Drømmen om at udvikle komplekse halvlederarkitekturer med perovskites er ved at gå i opfyldelse. Nye applikationer og udforskningen af ​​nye fysiske fænomener vil være de næste skridt."

"Dette har konsekvenser ikke kun for solenergi, men også for grøn brint, med celler, der kan producere energi og omdanne det til brint," sagde Mohite. "Det kunne også muliggøre ikke-net-solenergi til biler, droner, bygningsintegrerede solceller eller endda landbrug."

Ris kandidatstuderende Siraj Sidhik er hovedforfatter af papiret. + Udforsk yderligere

Stort spring for stabile højeffektive perovskit-solceller