Guanidinium stabiliserer perovskit-solceller med en effektivitet på 19 procent

Med effektkonverteringseffektiviteten af ​​siliciumsolceller på et plateau på omkring 25 %, perovskitter er nu ideelt placeret til at blive markedets næste generation af fotovoltaik. I særdeleshed, organisk-uorganisk blyhalogenidperovskitter tilbyder alsidighed i fremstillingen, der potentielt kan udmønte sig i meget højere effektivitet:undersøgelser har allerede vist fotovoltaiske præstationer over 20% på tværs af forskellige solcellearkitekturer bygget med enkle og billige processer.

Den største udfordring for perovskit-feltet er ikke så meget effektivitet, men stabilitet. I modsætning til siliciumceller, perovskitter er bløde krystallinske materialer og tilbøjelige til problemer på grund af nedbrydning over tid. I en kommerciel sammenhæng, dette sætter perovskitter på en højere pris end konventionelle siliciumceller.

Der har derfor været mange bestræbelser på at syntetisere perovskitmaterialer, der kan opretholde høj effektivitet over tid. Dette gøres ved at indføre forskellige kationer (positivt ladede ioner) i perovskittens krystalstruktur. Selvom succes er blevet rapporteret ved at blande uorganiske kationer som cæsium eller rubidium i perovskit -sammensætningen, disse løsninger har en tendens til at være svære og dyre at implementere.

I mellemtiden, der er indtil videre ikke fundet organiske - og lettere at syntetisere - kationer, der kan forbedre både effektivitet og stabilitet. Nu, Mohammad Khaja Nazeeruddins laboratorium ved EPFL Valais Wallis, med kolleger ved University of Cordoba, har opdaget, at de kan forbedre perovskitstabiliteten ved at indføre det store organiske kation guanidinium (CH6N3+) i methylammonium -blyiodidperovskitter, som er blandt de mest lovende alternativer i gruppen i dag.

Forskerne viser, at guanidinium-kationen indsættes i perovskittens krystalstruktur og forbedrer materialets generelle termiske og miljømæssige stabilitet, overvinde det, der på området er kendt som "Goldschmidt-tolerancefaktorgrænsen." Dette er en indikator for stabiliteten af ​​en perovskitkrystal, som beskriver, hvor kompatibel en bestemt ion er med den. En ideel Goldschmidt-tolerancefaktor bør være under eller lig med 1; guanidinium er kun 1,03.

Undersøgelsen viste, at tilsætningen af ​​guanidinium signifikant forbedrede perovskittens materialestabilitet, mens den leverede en gennemsnitlig effektkonverteringseffektivitet på over 19% (19,2 ± 0,4%) og stabiliserede denne ydeevne i 1000 timer under kontinuerlig lysbelysning, som er en standard laboratorietest til måling af effektiviteten af ​​fotovoltaiske materialer. Forskerne vurderer, at dette svarer til 1333 dage (eller 3,7 år) i den virkelige verden - dette er baseret på standardkriterier, der bruges i feltet.

Professor Nazeeruddin forklarer:"Ved at tage en standard accelerationsfaktor på 2 for hver ti graders stigning i temperaturen, en accelerationsfaktor på 8 estimeres for 55 °C i modsætning til 25 °C grader. Derfor ville 1000 timer ved 55 ° C ækvivalent være 8000 timer. Vores celler blev udsat ved 60°C, derfor kunne tallene være endnu højere. Forudsat at det svarer til 6 timers fuld sollys/dag, eller 250Wm-2 gennemsnitlig irradians (svarende til Nordafrika) det samlede antal dage er 1333, svarer til 44,4 måneder og 3,7 års stabilitet. Imidlertid, til standard solcelle-akkreditering er der også påkrævet en række stresstest, herunder temperaturcyklus og fugtig varme."

"Dette er et grundlæggende skridt inden for perovskit-området, " siger Nazeeruddin. "Det tilbyder et nyt paradigme inden for perovskit-design, da yderligere udforskninger ud over tolerancefaktorgrænsen kunne være fremherskende for kationiske blandinger og samtidig bevare en 3D-struktur med forbedret stabilitet gennem øget antal H-bindinger inden for den uorganiske ramme - et problem, som vi er nu tæt på at løse."