Forskere øger ydeevnekvaliteten af ​​perovskiter

Solceller er enheder, der absorberer fotoner fra sollys og omdanner deres energi til at flytte elektroner - hvilket muliggør produktion af ren energi og giver en pålidelig rute til at hjælpe med at bekæmpe klimaændringer. Men de fleste solceller, der bruges meget i dag, er tykke, skrøbelig og stiv, hvilket begrænser deres anvendelse til flade overflader og øger omkostningerne til at fremstille solcellen.

"Tyndfilmsolceller" kunne være 1/100 af tykkelsen af ​​et stykke papir og fleksible nok til at dekorere overflader lige fra en aerodynamisk slank bil til tøj. At lave tyndfilmssolceller, videnskabsmænd bevæger sig ud over de "klassiske" halvlederforbindelser, såsom galliumarsenid eller silicium, og arbejder i stedet med andre lys-høstende forbindelser, der har potentialet til at være billigere og nemmere at masseproducere. Forbindelserne kunne anvendes bredt, hvis de kunne yde lige så godt som nutidens teknologi.

I et papir offentliggjort online i foråret i tidsskriftet Naturfotonik , forskere ved University of Washington rapporterer, at en prototype halvleder tyndfilm har ydet endnu bedre end nutidens bedste solcellematerialer til at udsende lys.

"Det lyder måske mærkeligt, da solceller absorberer lys og omdanner det til elektricitet, men de bedste solcellematerialer er også gode til at udsende lys, " sagde medforfatter og professor i kemiteknik fra UW Hugh Hillhouse, som også er fakultetsmedlem hos både UW's Clean Energy Institute og Molecular Engineering &Sciences Institute. "Faktisk, typisk jo mere effektivt de udsender lys, jo mere spænding genererer de."

UW-holdet opnåede en rekordpræstation i dette materiale, kendt som en bly-halogenid perovskit, ved kemisk at behandle det gennem en proces kendt som "overfladepassivering, " som behandler ufuldkommenheder og reducerer sandsynligheden for, at de absorberede fotoner ender med at blive spildt i stedet for at blive omdannet til nyttig energi.

"Et stort problem med perovskit-solceller er, at for meget absorberet sollys endte som spildvarme, ikke brugbar elektricitet, " sagde medforfatter David Ginger, en UW professor i kemi og chefforsker ved CEI. "Vi håber på, at overfladepassiveringsstrategier som denne vil hjælpe med at forbedre ydeevnen og stabiliteten af ​​perovskit-solceller."

Ginger's og Hillhouses teams arbejdede sammen for at demonstrere, at overfladepassivering af perovskitter kraftigt øgede ydeevnen til niveauer, der ville gøre dette materiale til blandt de bedste til tyndfilmssolceller. De eksperimenterede med en række kemikalier til overfladepassivering, før de fandt en, en organisk forbindelse kendt under sit akronym TOPO, der øgede perovskit-ydeevnen til niveauer, der nærmede sig de bedste galliumarsenid-halvledere.

"Vores team på UW var et af de første til at identificere ydeevnebegrænsende defekter ved overfladerne af perovskitmaterialer, og nu er vi glade for at have opdaget en effektiv måde at kemisk konstruere disse overflader med TOPO-molekyler, " sagde medforfatter Dane deQuilettes, en postdoc-forsker ved Massachusetts Institute of Technology, der udførte denne forskning som UW kemi doktorand. "Først vi var virkelig overraskede over at opdage, at de passiverede materialer så ud til at være lige så gode som galliumarsenid, som holder solcellens effektivitetsrekord. Så for at dobbelttjekke vores resultater, vi udtænkte et par forskellige tilgange til at bekræfte forbedringerne i perovskitmaterialekvalitet."

DeQuilettes og co-lead forfatter Ian Braly, som udførte denne forskning som doktorand i kemiteknik, viste, at TOPO-behandling af en perovskit-halvleder signifikant påvirkede både dens interne og eksterne fotoluminescenskvanteeffektiviteter - målinger, der bruges til at bestemme, hvor godt et halvledende materiale er til at udnytte en absorberet fotons energi i stedet for at miste den som varme. TOPO-behandling af perovskitten øgede den interne fotoluminescens kvanteeffektivitet med tidoblet - fra 9,4 procent til næsten 92 procent.

"Vores målinger, der observerer effektiviteten, hvormed passiverede hybridperovskitter absorberer og udsender lys, viser, at der ikke er nogen iboende materialefejl, der forhindrer yderligere solcelleforbedringer, sagde Braly. Yderligere, ved at tilpasse emissionsspektrene til en teoretisk model, vi viste, at disse materialer kunne generere spændinger 97 procent af det teoretiske maksimum, lig med verdensrekorden galliumarsenid-solcelle og meget højere end rekordsiliciumceller, der kun når 84 procent."

Disse forbedringer i materialekvalitet er teoretisk forudsagt for at gøre det muligt for lys-til-el effektkonverteringseffektiviteten at nå 27,9 procent under normale sollysniveauer, hvilket ville skubbe den perovskit-baserede fotovoltaiske rekord forbi de bedste siliciumenheder.

Det næste trin for perovskites, sagde forskerne, er at demonstrere en lignende kemisk passivering, der er kompatibel med let fremstillede elektroder – samt at eksperimentere med andre typer overfladepassivering.

"Perovskites har allerede vist hidtil uset succes inden for fotovoltaiske enheder, men der er så meget plads til yderligere forbedringer, " sagde deQuilettes. "Her synes vi, at vi har givet en vej frem for samfundet til bedre at udnytte solens energi."