Ryste, rangle, og rulle til højeffektiv solcelle

Ny indsigt i, hvordan en bestemt klasse af fotovoltaiske materialer tillader effektiv omdannelse af sollys til elektricitet, kunne sætte disse materialer op til at erstatte traditionelle siliciumsolceller. En undersøgelse foretaget af forskere ved Penn State afslører de unikke egenskaber ved disse billige og hurtige at producere halogenidperovskitter, information, der vil guide udviklingen af ​​næste generation af solceller. Undersøgelsen vises den 27. september i tidsskriftet Chem .

"Siden udviklingen af ​​siliciumsolceller, som i dag kan findes på hustage og vejkanter, forskere har søgt efter nye typer solceller, der er nemmere at forarbejde til solceller, " sagde John Asbury, lektor i kemi ved Penn State og seniorforfatter af undersøgelsen. "Dette skyldes, at konstruktionen af ​​siliciumsolceller er kompleks og svær at skalere op til det niveau, der ville være nødvendigt for, at de kan generere selv 10 procent af vores samlede efterspørgsel efter elektricitet."

På grund af disse komplikationer, forskere har ledt efter billigere alternativer til siliciumsolceller, der kan behandles hurtigere. De er særligt interesserede i materialer, der kan forarbejdes ved hjælp af en teknik kaldet roll-to-roll-fremstilling, en teknik, der ligner dem, der bruges til at trykke aviser, og som muliggør lave omkostninger, højvolumen produktion. Sådanne materialer skal behandles fra opløsning, som blæk trykt på en side.

"Efter fyrre års intens forskning for sådanne materialer, intet er kommet i nærheden af ​​silicium – undtagen en spændende klasse af materialer kendt som halogenidperovskiter, " sagde Asbury. "Halide perovskites ser ud til at have en unik tolerance for ufuldkommenheder i deres strukturer, der giver dem mulighed for effektivt at omdanne sollys til elektricitet, når andre materialer med lignende ufuldkommenheder ikke gør det."

Hvad gør halogenidperovskiter så tolerante over for ufuldkommenheder, imidlertid, var ukendt før denne undersøgelse. Forskerne brugte ultrahurtig infrarød billedteknologi til at undersøge, hvordan strukturen og sammensætningen af ​​disse materialer påvirker deres evne til at omdanne sollys til elektricitet.

Forskerne fastslog, at halogenidperovskitter har en enestående evne til at opretholde deres krystallinske struktur, selv mens atomerne i deres krystaller gennemgår usædvanligt store vibrationsbevægelser. Alle materialer oplever vibrationsbevægelse af deres atomer, som typisk undertrykkes ved at gøre materialernes krystaller meget hårde – som silicium – så deres atomer holdes stift på plads. Men, ifølge den aktuelle undersøgelse, halogenidperovskitter er meget bløde, som tillader deres atomer at bevæge sig rundt og bidrager til deres bemærkelsesværdige effektivitet.

"Det interessante er, at sådanne store atombevægelser typisk fører til tab af krystallinsk struktur i andre materialer, skabe ufuldkommenheder, der dræner ophidset tilstandsenergi, " sagde Asbury. "Men med halogenidperovskitter, forskere kan kemisk erstatte elektronisk ladede atomer i materialet for at justere amplituderne af sådanne bevægelser i atomskala. Dette vil give os mulighed for at forbedre ydeevnen og stabiliteten af ​​halogenidperovskitmaterialer.

"I øjeblikket, halogenidperovskitter indeholder ofte giftige elementer som bly og er endnu ikke så stabile, som de skal være for at erstatte siliciumsolceller, " sagde Asbury. "Indsigten fra denne undersøgelse vil gøre os i stand til at skabe regler for design af nye halogenidperovskiter ved hjælp af roll-to-roll-behandling. Dette vil lede udviklingen af ​​næste generation af perovskitmaterialer, der er mere stabile, og som indeholder mindre giftige elementer såsom tin i stedet for bly."