Rodet produktion af perovskitmateriale øger solcelleeffektiviteten

Forskere ved University of Cambridge, der studerer perovskitmaterialer til næste generations solceller og fleksible lysdioder, har opdaget, at de kan være mere effektive, når deres kemiske sammensætninger er mindre ordnede, meget forenkling af produktionsprocesser og lavere omkostninger.

De overraskende fund, udgivet i Natur fotonik , er resultatet af et samarbejdsprojekt, ledet af Dr. Felix Deschler og Dr. Sam Stranks.

Det mest almindeligt anvendte materiale til fremstilling af solpaneler er krystallinsk silicium, men for at opnå effektiv energiomdannelse kræver en dyr og tidskrævende produktionsproces. Siliciummaterialet skal have en meget ordnet skivestruktur og er meget følsom over for urenheder, såsom støv, så skal laves i et rent værelse.

I det sidste årti, perovskitmaterialer er dukket op som lovende alternativer.

Blysalte, der bruges til fremstilling af dem, er meget mere rigelige og billigere at producere end krystallinsk silicium, og de kan fremstilles i flydende blæk, der blot trykkes til fremstilling af en film af materialet.

De komponenter, der bruges til at lave perovskitten, kan ændres for at give materialerne forskellige farver og strukturelle egenskaber, for eksempel at få filmene til at udsende forskellige farver eller indsamle sollys mere effektivt.

Du behøver kun en meget tynd film af dette perovskitmateriale - omkring tusind gange tyndere end et menneskehår - for at opnå lignende effektivitet som de siliciumskiver, der i øjeblikket bruges, åbner mulighed for at integrere dem i vinduer eller fleksible, ultralette smartphone skærme.

"Dette er den nye klasse af halvledere, der faktisk kunne revolutionere alle disse teknologier, "sagde Sascha Feldmann, en ph.d. studerende ved Cambridge's Cavendish Laboratory.

"Disse materialer viser meget effektiv emission, når du ophidser dem med energikilder som lys, eller påfør en spænding for at køre en LED.

"Dette er virkelig nyttigt, men det forblev uklart, hvorfor disse materialer, som vi behandler i vores laboratorier, er så meget mere grove end disse clean-room, siliciumskiver med høj renhed, klarer sig så godt. "

Forskere havde antaget, at som med siliciummaterialer, jo mere ordnet de kunne lave materialerne, jo mere effektive ville de være. Men Feldmann og hendes medlederforfatter Stuart MacPherson blev overrasket over at finde det modsatte at være sandt.

"Opdagelsen var virkelig en stor overraskelse, "sagde Deschler, der nu leder en Emmy-Noether forskergruppe ved TU München. "Vi laver meget spektroskopi for at undersøge arbejdsmekanismerne i vores materialer, og spekulerede på, hvorfor disse virkelig ganske kemisk rodede film fungerede så usædvanligt godt. "

"Det var fascinerende at se, hvor meget lys vi kunne få fra disse materialer i et scenario, hvor vi ville forvente, at de var ret mørke, "sagde MacPherson, en ph.d. studerende i Cavendish Laboratory. "Måske skulle vi ikke blive overraskede i betragtning af at perovskitter har omskrevet regelbogen om ydeevne i nærvær af defekter og uorden."

Forskerne opdagede, at deres grove, multikomponentlegerede præparater forbedrede faktisk materialernes effektivitet ved at skabe masser af områder med forskellige sammensætninger, der kunne fange de energiladede bærere, enten fra sollys i en solcelle, eller en elektrisk strøm i en LED.

"Det er faktisk på grund af denne rå forarbejdning og efterfølgende afblanding af de kemiske komponenter, at du skaber disse dale og bjerge i energi, som ladninger kan trække ned og koncentrere sig i, "sagde Feldmann." Dette gør dem lettere at udtrække til din solcelle, og det er mere effektivt at producere lys fra disse hotspots i en LED. "

Deres fund kan have en enorm indflydelse på fremstilling af disse materialer.

"Virksomheder, der ønsker at lave større fabrikationslinjer til perovskitter, har forsøgt at løse problemet med, hvordan man gør filmene mere homogene, men nu kan vi vise dem, at en simpel inkjet -udskrivningsproces faktisk kunne gøre et bedre stykke arbejde, sagde Feldmann.

"Undersøgelsens skønhed ligger virkelig i den kontraintuitive opdagelse, at let at lave ikke betyder, at materialet vil være værre, men kan faktisk være bedre. "

"Det er nu en spændende udfordring at finde fremstillingsbetingelser, der skaber den optimale uorden i materialerne for at opnå maksimal effektivitet, samtidig med at de strukturelle egenskaber, der er nødvendige for specifikke applikationer, bevares, "sagde Deschler.

"Hvis vi kan lære at kontrollere lidelsen endnu mere præcist, vi kunne forvente yderligere forbedringer af LED- eller solcellens ydeevne - og endda skubbe langt ud over silicium med skræddersyede tandemsolceller bestående af to perovskitlag i forskellige farver, der tilsammen kan høste endnu mere strøm fra solen end et lag alene, "sagde Dr. Sam Stranks, Universitetslektor i energi ved Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology og Cavendish Laboratory.

En anden begrænsning af perovskitmaterialer er deres følsomhed over for fugt, så grupperne undersøger også måder at forbedre deres stabilitet.

"Der er stadig arbejde at gøre for at få dem til at holde på hustage, som silicium kan - men jeg er optimistisk, "sagde Stranks.