Næste generations solceller kan forbedres ved redesign i atomskala

Forskere har afdækket den nøjagtige mekanisme, der får nye solceller til at bryde ned i luften, baner vejen for en løsning.

Solceller udnytter energi fra solen og giver et alternativ til ikke-vedvarende energikilder som fossile brændstoffer. Imidlertid, de står over for udfordringer fra dyre fremstillingsprocesser og dårlig effektivitet - mængden af ​​sollys, der omdannes til brugbar energi.

Lysabsorberende materialer kaldet organiske blyhalogenidperovskitter bruges i en ny type solceller, der har vist stort løfte, da de er mere fleksible og billigere at fremstille end traditionelle solceller konstrueret af silicium.

Imidlertid, perovskitceller nedbrydes hurtigt under naturlige forhold, reducerer deres ydeevne kraftigt på få dage. Dette er en af ​​grundene til, at de i øjeblikket ikke er meget udbredt.

Tidligere har et team ledet af forskere fra Institut for Kemi ved Imperial opdagede, at denne sammenbrud skyldes dannelsen af ​​'superoxider', der angriber perovskitmaterialet. Disse superoxider dannes, når lys, der rammer cellerne, frigiver elektroner, som reagerer med iltet i luften.

Nu, i en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , holdet har bestemt, hvordan superoxiderne dannes, og hvordan de angriber perovskitmaterialet, og har foreslået mulige løsninger.

Ikke så superoxider

Arbejder med kemikere ved University of Bath, teamet fandt ud af, at dannelse af superoxid er hjulpet af rum i strukturen af ​​perovskitten, der normalt optages af iodidmolekyler. Selvom iodid er en komponent i selve perovskitmaterialet, der er defekter, hvor iodid mangler. Disse ledige pletter bruges derefter til dannelse af superoxider.

Teamet fandt ud af, at dosering af materialet med ekstra iodid efter fremstilling forbedrede stabiliteten, men at en mere permanent løsning kunne være at konstruere iodidfejlene ud.

Hovedforfatter til den nye undersøgelse, Nicholas Aristidou fra Institut for Kemi på Imperial, sagde:"Efter at have identificeret iodidsdefekters rolle i dannelsen af ​​superoxid, vi kunne med succes forbedre materialestabiliteten ved at udfylde de ledige stillinger med yderligere iodidioner. Dette åbner op for en ny måde at optimere materialet til forbedret stabilitet ved at kontrollere typen og tætheden af ​​tilstedeværende defekter. "

Lederforsker Dr Saif Haque fra Institut for Kemi ved Imperial tilføjede:"Vi har nu givet en vej til at forstå denne proces i atomskala og tillade design af enheder med forbedret stabilitet."

Bedre løsninger

I øjeblikket, den eneste måde at beskytte perovskitceller mod nedbrydning af luft og lys er at indkapsle dem i glas. Imidlertid, perovskite solceller er lavet af fleksibelt materiale designet til at blive brugt i en række indstillinger, så glasindkapslingen begrænser deres funktion stærkt.

Dr. Haque sagde:"Glasindkapsling begrænser bevægelse og tilføjer vægt og omkostninger til cellerne. Forbedring af selve perovskitcellematerialet er den bedste løsning."

Teamet håber næste gang at teste cellernes stabilitet i virkelige omgivelser. Cellerne ville blive udsat for en kombination af både ilt og fugt, test af cellerne i mere relevante scenarier.