Lys afslapper krystal for at øge solcelleeffektiviteten

Nogle materialer er som mennesker. Lad dem slappe af i solen et lille stykke tid, og de klarer sig meget bedre.

Et samarbejde ledet af Rice University og Los Alamos National Laboratory fandt, at det var tilfældet med en perovskitforbindelse, der blev udråbt som et effektivt materiale til at indsamle sollys og omdanne det til energi.

Forskerne ledet af Aditya Mohite, en personaleforsker ved Los Alamos, der snart bliver professor ved Rice; Wanyi Nie, også en personaleforsker ved Los Alamos, og hovedforfatter og Ris -kandidatstuderende Hsinhan (Dave) Tsai opdagede, at konstant belysning lindrer belastning i perovskites krystalgitter, så det kan udvide sig ensartet i alle retninger.

Ekspansion justerer materialets krystalplaner og helbreder defekter i bulk. Det reducerer igen energiske barrierer ved kontakterne, gør det lettere for elektroner at bevæge sig gennem systemet og levere energi til enheder.

Dette forbedrer ikke kun solcellens effektomdannelseseffektivitet, men går heller ikke på kompromis med dens fotostabilitet, med ubetydelig nedbrydning over mere end 1, 500 timers drift under kontinuerlig en-sol belysning på 100 milliwatt pr. Kubikcentimeter.

Forskningen, som vises i denne uge i Videnskab , repræsenterer et betydeligt skridt mod stabile perovskit-baserede solceller til næste generations sol-til-elektricitet og sol-til-brændstof-teknologier, ifølge forskerne.

"Hybride perovskitkrystalstrukturer har en generel formel for AMX3, hvor A er en kation, M er et toværdigt metal, og X er et halogenid, "Sagde Mohite." Det er en polær halvleder med et direkte båndgab svarende til galliumarsenid.

"Dette giver perovskitter en absorptionskoefficient, der er næsten en størrelsesorden større end galliumarsenid (en almindelig halvleder i solceller) på tværs af hele solspektret, "sagde han." Dette indebærer, at en 300-nanometer tyk film af perovskitter er tilstrækkelig til at absorbere alt det indfaldende sollys. Derimod, silicium er et indirekte båndgabemateriale, der kræver 1, 000 gange mere materiale til at absorbere den samme mængde sollys. "

Mohite sagde, at forskere længe har søgt effektive hybridperovskitter, der er stabile i sollys og under omgivende miljøforhold.

"Gennem dette arbejde, vi viste betydelige fremskridt med at nå begge disse mål, "sagde han." Vores tripelkationbaserede perovskit i et kubisk gitter viser fremragende temperaturstabilitet ved mere end 100 grader Celsius (212 grader Fahrenheit). "

Forskerne modellerede og lavede mere end 30 halvledende, iodidbaserede tynde film med perovskitlignende strukturer:Krystallinske terninger med atomer arrangeret i regelmæssige rækker og søjler. De målte deres evne til at overføre strøm og fandt ud af, at når de var gennemblødt med lys, den energiske barriere mellem perovskitten og elektroderne forsvandt stort set, da bindingerne mellem atomer slækkede.

De blev overraskede over at se, at barrieren forblev slukket i 30 minutter, efter at lyset var slukket. Fordi filmene blev holdt ved en konstant temperatur under forsøgene, forskerne var også i stand til at fjerne varme som en mulig årsag til gitterudvidelsen.

Målinger viste, at den "mester" hybrid perovskite -enhed øgede sin effektomdannelseseffektivitet fra 18,5 procent til 20,5 procent. Gennemsnitlig, alle cellerne havde en øget effektivitet over 19 procent. Mohite sagde, at perovskitter, der blev brugt i undersøgelsen, var 7 procent væk fra den maksimalt mulige effektivitet for en enkeltkrydsende solcelle.

Han sagde, at cellernes effektivitet var næsten det dobbelte af alle andre løsningsbehandlede fotovoltaiske teknologier og 5 procent lavere end for kommercielle siliciumbaserede solceller. De beholdt 85 procent af deres maksimale effektivitet efter 800 timers kontinuerlig drift ved det maksimale effektpunkt, og deres nuværende tæthed viste ingen fotoinduceret nedbrydning over hele 1, 500 timer.

"Dette arbejde vil fremskynde den videnskabelige forståelse, der kræves for at opnå perovskite solceller, der er stabile, "Sagde Mohite." Det åbner også nye retninger for at opdage faser og nye adfærd, der opstår fra den dynamiske strukturelle natur, eller blødhed, af perovskitgitteret. "

De ledende forskere indikerede, at undersøgelsen går ud over fotovoltaik, da den forbinder, for første gang, lysudløst strukturel dynamik med grundlæggende elektroniske transportprocesser. De forudser, at det vil føre til teknologier, der udnytter lys, kraft eller andre eksterne udløsere til at skræddersy egenskaberne ved perovskitbaserede materialer.