Perovskit-materiale med supergitterstruktur kan overgå effektiviteten af ​​en perfekt solcelle

En perovskit-solcelle udviklet af ingeniører ved University of California San Diego bringer forskere tættere på at bryde loftet for solcelleeffektivitet, foreslår en undersøgelse offentliggjort 10. august i Nature .

Den nye solcelle er et blyfrit lavdimensionelt perovskit-materiale med en supergitterkrystalstruktur - den første i feltet. Det specielle ved dette materiale er, at det udviser effektiv bæredynamik i tre dimensioner, og dets enhedsorientering kan være vinkelret på elektroderne. Materialer i denne særlige klasse af perovskitter har indtil videre kun udvist en sådan dynamik i to dimensioner – en vinkelret orienteret solcelle er aldrig blevet rapporteret.

Takket være sin specifikke struktur når denne nye type supergitter-solcelle en effektivitet på 12,36 %, hvilket er den højeste rapporterede for blyfri lavdimensionelle perovskit-solceller (den tidligere rekordholders effektivitet er 8,82 %). Den nye solcelle har også en usædvanlig åben kredsløbsspænding på 0,967 V, hvilket er højere end den teoretiske grænse på 0,802 V. Begge resultater er blevet uafhængigt certificeret.

Den åbne kredsløbsspænding er en solcelleegenskab, der bidrager til dens effektivitet, så denne nye solcelle "kan have potentialet til at bryde den teoretiske effektivitetsgrænse for nuværende solceller," siger seniorforfatter Sheng Xu, professor i nanoteknik ved undersøgelsen. UC San Diego. "Dette vil måske en dag give os mulighed for at opnå højere effektivitet med mere elektricitet fra eksisterende solpaneler eller generere den samme mængde elektricitet fra mindre solpaneler til lavere omkostninger."

Forskerne antager, at materialets forbedrede åben-kredsløbsspænding kan tilskrives en ny fysisk mekanisme, som de kalder intraband carrier relaxation. Materialets unikke supergitterstruktur gør det muligt for forskellige komponenter i solcellen at integreres i lodret retning, hvilket skaber en dobbeltbåndsstruktur i atom-skala. Under lys kunne de exciterede elektroner slappe af fra én komponent (mindre båndgab-region) til en anden komponent (større båndgab-region), før de ækvilibrerede for at ændre fermi-niveauerne i supergittersolcellen. Dette bidrager til en højere tomgangsspænding. Denne proces er verificeret at være relateret til det indbyggede potentiale i supergittersolcellen. Forskerne anerkender også, at der er andre mulige mekanismer, der forekommer i den unikke supergitterstruktur, der kan bidrage til dens usædvanligt høje åben kredsløbsspænding.

For at skabe den nye blyfri lavdimensionelle perovskit-solcelle brugte forskerne kemiske epitaksiteknikker til at fremstille et supergitterkrystalnetværk. Netværkets struktur er unik ved, at det består af perovskit-kvantebrønde, der er lodret justeret og krydset. Denne krydskrydsede struktur gør materialets bæredynamik - som inkluderer elektronmobilitet, levetid og ledningsbaner i alle tre dimensioner - mere effektiv end blot at have flere kvantebrønde. Disse teknikker kan potentielt bruges til at skabe perovskit-supergitter af forskellige sammensætninger.

"Dette perovskit-supergitter demonstrerer en hidtil uset bærertransportydelse, som mange forskere på området har drømt om," sagde Yusheng Lei, hovedforfatteren til dette papir, som var ph.d. studerende i Xus laboratorium ved UC San Diego og er nu postdoc-forsker ved Stanford University.

Supergitteret består af en nanokonstrueret faseadskillelse mellem Bi ³⁺ legerede og intakte Sn-I-områder i vertikalt justerede multiple-kvantebrønde. Denne sammensætning skaber komponentvariationer i atomskalaen, hvilket igen gør det muligt for varme bærere hurtigt at krydse den heterostrukturelle grænseflade med flere kvantebrønde, før de slapper af - en bedrift, der normalt er umulig at opnå, forklarede forskerne. Her er det muligt på grund af den korte diffusionslængde, der kræves for at krydse den heterostrukturelle grænseflade.

"Dette arbejde åbner op for en masse nyt spændende potentiale for klassen af ​​blyfri lavdimensionelle perovskitmaterialer," sagde Xu. Fremover vil teamet arbejde på at optimere og opskalere fremstillingsprocessen for at lave supergitterkrystallerne, hvilket i øjeblikket stadig er besværligt og udfordrende. Xu håber at engagere partnere i solcelleindustrien for at standardisere processen. + Udforsk yderligere

Ny rekord for solcelleeffektivitet signalerer lys fremtid for solteknologi