Kalium giver perovskit-baserede solceller et effektivitetsløft

En simpel kaliumløsning kunne øge effektiviteten af ​​næste generations solceller, ved at sætte dem i stand til at omdanne mere sollys til elektricitet.

Et internationalt team af forskere ledet af University of Cambridge fandt ud af, at tilsætning af kaliumiodid 'helede' defekterne og immobiliserede ionbevægelsen, som til dato har begrænset effektiviteten af ​​billige perovskite solceller. Disse næste generations solceller kunne bruges som et effektivitetsfremmende lag oven på eksisterende siliciumbaserede solceller, eller laves om til selvstændige solceller eller farvede lysdioder. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur .

Solcellerne i undersøgelsen er baseret på metalhalogenid-perovskiter – en lovende gruppe af ioniske halvledermaterialer, som på blot et par korte års udvikling nu konkurrerer med kommercielle tyndfilms solcelleteknologier med hensyn til deres effektivitet til at omdanne sollys til elektricitet. Perovskiter er billige og nemme at fremstille ved lave temperaturer, hvilket gør dem attraktive til næste generations solceller og belysning.

På trods af potentialet i perovskitter, nogle begrænsninger har hæmmet deres effektivitet og konsistens. Små defekter i den krystallinske struktur af perovskitter, kaldet fælder, kan få elektroner til at 'sætte sig fast', før deres energi kan udnyttes. Jo lettere elektroner kan bevæge sig rundt i et solcellemateriale, jo mere effektivt vil materialet være til at omdanne fotoner, partikler af lys, til elektricitet. Et andet problem er, at ioner kan bevæge sig rundt i solcellen, når de er belyst, hvilket kan forårsage en ændring i båndgabet - farven på lyset materialet absorberer.

"Indtil nu, vi har ikke været i stand til at gøre disse materialer stabile med den båndgab, vi har brug for, så vi har forsøgt at immobilisere ionbevægelsen ved at justere den kemiske sammensætning af perovskitlagene, " sagde Dr Sam Stranks fra Cambridges Cavendish Laboratory, der ledede forskningen. "Dette ville gøre det muligt at bruge perovskiter som alsidige solceller eller som farvede LED'er, som i det væsentlige er solceller, der kører omvendt."

I undersøgelsen, forskerne ændrede den kemiske sammensætning af perovskitlagene ved at tilføje kaliumiodid til perovskitblæk, som derefter selv samles til tynde film. Teknikken er kompatibel med roll-to-roll processer, hvilket betyder, at den er skalerbar og billig. Kaliumiodidet dannede et 'dekorativt' lag oven på perovskitten, som havde den effekt at 'helbrede' fælderne, så elektronerne kunne bevæge sig mere frit, samt immobilisering af ionbevægelsen, hvilket gør materialet mere stabilt ved det ønskede båndgab.

Forskerne demonstrerede lovende ydeevne med perovskit-båndgaperne, der er ideelle til at lægge oven på en siliciumsolcelle eller med et andet perovskitlag - såkaldte tandemsolceller. Silicium tandem solceller er den mest sandsynlige første udbredte anvendelse af perovskiter. Ved at tilføje et perovskite lag, lys kan høstes mere effektivt fra en bredere vifte af solspektret.

"Kalium stabiliserer de perovskitbånd, vi ønsker til tandemsolceller, og gør dem mere selvlysende, hvilket betyder mere effektive solceller, " sagde Stranks, hvis forskning er finansieret af EU og Det Europæiske Forskningsråds Horizon 2020-program. "Det håndterer næsten udelukkende ionerne og defekterne i perovskitter."

"Vi har fundet ud af, at perovskiter er meget tolerante over for tilsætningsstoffer - du kan tilføje nye komponenter, og de vil yde bedre, " sagde førsteforfatter Mojtaba Abdi-Jalebi, en ph.d.-kandidat ved Cavendish Laboratory, som er finansieret af Nava Technology Limited. "I modsætning til andre solcelleteknologier, vi behøver ikke tilføje et ekstra lag for at forbedre ydeevnen, tilsætningsstoffet blandes ganske enkelt med perovskit-blæk."

Perovskit- og kaliumanordningerne viste god stabilitet i test, og var 21,5 % effektive til at omdanne lys til elektricitet, som ligner de bedste perovskit-baserede solceller og ikke langt under den praktiske effektivitetsgrænse for siliciumbaserede solceller, hvilket er (29%). Tandemceller lavet af to perovskitlag med ideelle båndgab har en teoretisk effektivitetsgrænse på 45 % og en praktisk grænse på 35 % - som begge er højere end de nuværende praktiske effektivitetsgrænser for silicium. "Du får mere magt for dine penge, " sagde Stranks.