Krystallinsk materiale kan erstatte silicium til dobbelt effektivitet af solceller

Et nyt materiale har vist sig at have evnen til at fordoble solcellers effektivitet af forskere ved Purdue University og National Renewable Energy Laboratory.

Konventionelle solceller er højst en tredjedel effektive, en grænse kendt for forskere som Shockley-Queisser Limit. Det nye materiale, en krystallinsk struktur, der indeholder både uorganiske materialer (jod og bly) og et organisk materiale (methyl-ammonium), øger effektiviteten, så den kan bære to tredjedele af energien fra lys uden at miste så meget energi til varme.

I mindre tekniske termer, dette materiale kan fordoble mængden af ​​produceret elektricitet uden en betydelig omkostningsstigning.

Nok solenergi når jorden til at forsyne hele planetens energibehov flere gange, men at fange den energi har været vanskelig - fra 2013, kun omkring 1 procent af verdens elnet blev produceret fra solpaneler.

Libai Huang, adjunkt i kemi på Purdue, siger det nye materiale, kaldet en hybrid perovskitter, ville skabe solceller tyndere end konventionelle silicium solceller, og er også fleksibel, billig og let at lave.

"Mine kandidatstuderende lærer at lave det på få dage, " hun siger.

Gennembruddet offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

De mest almindelige solceller bruger silicium som en halvleder, som kun kan overføre en tredjedel af energien på grund af båndgabet, som er den mængde energi, der er nødvendig for at booste en elektron fra en bundet tilstand til en ledende tilstand, hvor elektronerne er i stand til at bevæge sig, skabe elektricitet.

Indgående fotoner kan have mere energi end båndgabet, og i meget kort tid - så kort, at det er svært at forestille sig - elektronerne eksisterer med ekstra energi. Disse elektroner kaldes "varme bærere, "og i silicium eksisterer de kun i et picosekund (hvilket er 10 ^-12 sekunder) og kører kun en maksimal afstand på 10 nanometer. På dette tidspunkt opgiver de varme bæreelektroner deres energi som varme. Dette er en af ​​hovedårsagerne til solcellernes ineffektivitet.

Huang og hendes kolleger har udviklet en ny teknik, der kan spore bevægelsesområdet og de varme bæreres hastighed ved hjælp af hurtige lasere og mikroskoper.

"Den afstand, varme bærere skal migrere, er mindst tykkelsen af ​​en solcelle, eller omkring 200 nanometer, som dette nye perovskitmateriale kan opnå, "Siger Huang." Også disse bærere kan leve i omkring 100 picosekunder, to størrelsesordener længere end silicium. "

Kai Zhu, seniorforsker ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, og en af ​​journalpapirets medforfattere, siger, at det er kritiske faktorer for at oprette en kommerciel varmbærende solcelle.

"Denne undersøgelse viste, at varme bærere i en standard polykrystallinsk perovskit tyndfilm kan rejse i en afstand, der svarer til eller længere end den filmtykkelse, der kræves for at bygge en effektiv perovskit -solcelle, "siger han." Dette indikerer, at potentialet for udvikling af varmeovner perovskit solcelle er godt. "

Imidlertid, før et kommercielt produkt udvikles, forskere forsøger at bruge de samme teknikker udviklet på Purdue ved at erstatte bly i materialet med andre, mindre giftig, metaller.

"Det næste trin er at finde eller udvikle egnede kontaktmaterialer eller strukturer med passende energiniveauer til at udtrække disse varme bærere for at generere strøm i det eksterne kredsløb, "Siger Zhu." Det er måske ikke let. "