Kvanteinnovation fremmer billig alternativ solteknologi

Et team af forskere fra University of Torontos fakultet for anvendt videnskab og teknik har udnyttet kvantemekanik til at optimere det aktive lag i en enhed kendt som en inverteret perovskit-solcelle - en teknologi, der en dag kan resultere i massemarkedssolceller, der koster en brøkdel af dem på markedet i øjeblikket.

På nuværende tidspunkt er stort set alle kommercielle solceller lavet af højrent silicium, som kræver betydelig energi at producere. Men forskere rundt om i verden eksperimenterer med alternative solteknologier, der kunne fremstilles og installeres med mindre energi og til lavere omkostninger.

Et af disse alternativer, som bliver undersøgt i Sargent Group-laboratoriet, er kendt som perovskit. Kraften i perovskitmaterialer kommer fra deres unikke krystalstruktur, som gør dem i stand til at absorbere lys i et meget tyndt lag og omdanne det til elektricitet effektivt.

"Perovskite-krystaller er lavet af flydende blæk og belagt på overflader ved hjælp af teknologi, der allerede er veletableret i industrien, såsom rulle-til-rulle-udskrivning," siger Hao Chen, en post-doc forsker i Sargents laboratorium og en af ​​fire co -hovedforfattere til et nyt papir udgivet i Nature Photonics .

"På grund af dette har perovskit-solceller potentialet til at blive masseproduceret til meget lavere energiomkostninger end silicium. Udfordringen er, at lige nu halter perovskit-solceller efter traditionelle siliciumceller i stabilitet. I denne undersøgelse havde vi til formål at lukke det hul. "

Chen, sammen med sine co-lead forfattere-Ph.D. kandidat Sam Teale og post-doc-forskere Bin Chen og Yi Hou – bruger en strategi baseret på en omvendt solcellestruktur.

I de fleste prototyper af perovskit-solceller kommer elektroner ud gennem en negativ elektrode i det nederste lag af cellen, med de "huller", de efterlader, ud gennem en positiv elektrode øverst.

At vende dette arrangement muliggør brugen af ​​alternative fremstillingsteknikker, og tidligere forskning har vist, at disse kan forbedre stabiliteten af ​​perovskitlaget. Men ændringen har en pris i form af ydeevne.

"Det er svært at få god kontakt mellem perovskitlaget og den øverste elektrode," siger Chen. "For at løse dette indsætter forskere typisk et passiveringslag lavet af organiske molekyler. Det fungerer rigtig godt i den traditionelle orientering, fordi 'huller' kan gå lige igennem dette passiveringslag. Men elektroner blokeres af dette lag, så når du inverterer celle bliver det et stort problem."

Holdet overvandt denne begrænsning ved at drage fordel af kvantemekanikken - det fysiske princip, der angiver opførsel af materialer i meget små længdeskalaer, er forskelligt fra det, der observeres ved større.

"I vores prototype solceller er perovskitterne begrænset til et ekstremt tyndt lag - kun en til tre krystaller i højden," siger Teale. "Denne todimensionelle form gør det muligt for os at få adgang til egenskaber forbundet med kvantemekanik. Vi kan f.eks. kontrollere, hvilke bølgelængder af lys perovskitterne absorberer, eller hvordan elektroner bevæger sig inden for laget."

Holdet brugte først en kemisk teknik etableret af andre grupper til at producere en todimensionel perovskitoverflade oven på deres solcelle. Dette gjorde det muligt for perovskitlaget at opnå passivering på egen hånd, hvilket helt eliminerede behovet for det organiske lag.

For at overvinde den elektronblokerende effekt øgede holdet tykkelsen af ​​perovskitlaget fra en krystal i højden til tre. Computersimuleringer havde vist, at denne ændring ville ændre energilandskabet tilstrækkeligt til at gøre det muligt for elektroner at flygte ind i et eksternt kredsløb, en forudsigelse, der blev bekræftet i laboratoriet.

Effektkonverteringseffektiviteten af ​​holdets celler blev målt til 23,9 procent, et niveau der ikke falmede efter 1.000 timers drift ved stuetemperatur. Selv når den blev udsat for en industristandard accelereret ældningsproces ved temperaturer op til 65 C, faldt ydeevnen kun med otte procent efter mere end 500 timers brug.

Fremtidigt arbejde vil fokusere på yderligere at øge stabiliteten af ​​cellerne, herunder under endnu højere temperaturer. Holdet vil også gerne bygge celler med en større overflade, da de nuværende celler kun er omkring fem kvadratmillimeter store.

Alligevel lover de nuværende resultater godt for fremtiden for denne alternative solteknologi.

"I vores papir sammenligner vi vores prototyper med både traditionelle og omvendte perovskit-solceller, der for nylig er blevet offentliggjort i den videnskabelige litteratur," siger Teale.

"Kombinationen af ​​høj stabilitet og høj effektivitet, vi opnåede, skiller sig virkelig ud. Vi skal også huske på, at perovskit-teknologien kun er et par årtier gammel, hvorimod der er arbejdet på silicium i 70 år. Der er stadig mange forbedringer til komme." + Udforsk yderligere

Kvanteprikker øger effektiviteten og skalerbarheden af ​​perovskit-solceller