Frigør perovskites potentiale for solceller

Perovskites - en bred kategori af forbindelser, der deler en vis krystalstruktur - har tiltrukket sig stor opmærksomhed som potentielle nye solcellematerialer på grund af deres lave omkostninger, fleksibilitet, og relativt let fremstillingsproces. Men meget er stadig ukendt om detaljerne i deres struktur og virkningerne af at erstatte forskellige metaller eller andre elementer i materialet.

Konventionelle solceller lavet af silicium skal behandles ved temperaturer over 1, 400 grader Celsius, ved hjælp af dyrt udstyr, der begrænser deres potentiale for produktionsopskalering. I modsætning, perovskiter kan behandles i en flydende opløsning ved temperaturer så lave som 100 grader, ved hjælp af billigt udstyr. Hvad mere er, perovskitter kan aflejres på en række forskellige underlag, herunder fleksibel plast, muliggør en række nye anvendelser, som ville være umulige med tykkere, stivere siliciumskiver.

Nu, forskere har været i stand til at tyde et nøgleaspekt af adfærden hos perovskitter lavet med forskellige formuleringer:Med visse tilsætningsstoffer er der en slags "sweet spot", hvor større mængder vil forbedre ydeevnen, og ud over hvilke yderligere mængder begynder at nedbryde den. Resultaterne er detaljeret i denne uge i tidsskriftet Videnskab , i et papir af tidligere MIT postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, MIT-professorerne Tonio Buonassisi og Moungi Bawendi, og 18 andre på MIT, University of California i San Diego, og andre institutioner.

Perovskites er en familie af forbindelser, der deler en tredelt krystalstruktur. Hver del kan fremstilles af en række forskellige elementer eller forbindelser - hvilket fører til en meget bred vifte af mulige formuleringer. Buonassisi sammenligner design af en ny perovskite med at bestille fra en menu, at vælge en (eller flere) fra hver af kolonne A, kolonne B, og (efter konvention) kolonne X. "Du kan blande og matche, " han siger, men indtil nu kunne alle variationer kun studeres ved forsøg og fejl, da forskerne ikke havde nogen grundlæggende forståelse af, hvad der foregik i materialet.

I tidligere forskning udført af et hold fra den schweiziske École Polytechnique Fédérale de Lausanne, hvor Correa-Baena deltog, havde fundet ud af, at tilsætning af visse alkalimetaller til perovskitblandingen kunne forbedre materialets effektivitet til at omdanne solenergi til elektricitet, fra omkring 19 procent til omkring 22 procent. Men på det tidspunkt var der ingen forklaring på denne forbedring, og ingen forståelse af præcis, hvad disse metaller gjorde inde i forbindelsen. "Meget lidt var kendt om, hvordan mikrostrukturen påvirker ydeevnen, " siger Buonassisi.

Nu, detaljeret kortlægning ved hjælp af højopløsnings synkrotron nano-røntgenfluorescensmålinger, som kan sondere materialet med en stråle blot en tusindedel af bredden af ​​et hår, har afsløret detaljerne i processen, med potentielle ledetråde til, hvordan man kan forbedre materialets ydeevne yderligere.

Det viser sig, at tilsætning af disse alkalimetaller, såsom cæsium eller rubidium, til perovskitforbindelsen hjælper nogle af de andre bestanddele med at blande sig mere jævnt. Som teamet beskriver det, disse tilsætningsstoffer hjælper med at "homogenisere" blandingen, få den til at lede elektricitet lettere og dermed forbedre effektiviteten som solcelle. Men, de fandt, som kun virker op til et vist punkt. Ud over en vis koncentration, disse tilsatte metaller klumper sig sammen, danner områder, der forstyrrer materialets ledningsevne og til dels modvirker den indledende fordel. Ind i mellem, for enhver given formulering af disse komplekse forbindelser, er det søde sted, der giver den bedste ydeevne, de fandt.

"Det er et stort fund, " siger Correa-Baena, som i januar blev assisterende professor i materialevidenskab og teknik ved Georgia Tech. Hvad forskerne fandt, efter omkring tre års arbejde på MIT og med samarbejdspartnere på UCSD, var "hvad sker der, når du tilføjer disse alkalimetaller, og hvorfor ydeevnen forbedres." De var i stand til direkte at observere ændringerne i materialets sammensætning, og afsløre, blandt andet, disse modvirkende virkninger af homogenisering og klumpning.

"Ideen er, at baseret på disse resultater, vi ved nu, at vi bør undersøge lignende systemer, med hensyn til tilsætning af alkalimetaller eller andre metaller, " eller variere andre dele af opskriften, Correa-Baena siger. Mens perovskiter kan have store fordele i forhold til konventionelle siliciumsolceller, især med hensyn til de lave omkostninger ved at etablere fabrikker til at producere dem, de kræver stadig yderligere arbejde for at øge deres samlede effektivitet og forbedre deres levetid, som halter betydeligt bagefter siliciumcellernes.

Selvom forskerne har klarlagt de strukturelle ændringer, der finder sted i perovskitmaterialet, når man tilføjer forskellige metaller, og de resulterende ændringer i ydeevne, "Vi forstår stadig ikke kemien bag dette, " siger Correa-Baena. Det er emnet for igangværende forskning fra holdet. Den teoretiske maksimale effektivitet af disse perovskit-solceller er omkring 31 procent, ifølge Correa-Baena, og den bedste præstation til dato er omkring 23 procent, så der er stadig en betydelig margin til potentiel forbedring.

Selvom det kan tage år for perovskites at realisere deres fulde potentiale, mindst to virksomheder er allerede i gang med at etablere produktionslinjer, og de forventer at begynde at sælge deres første moduler inden for det næste år eller deromkring. Nogle af disse er små, transparente og farverige solceller designet til at blive integreret i en bygnings facade. "Det sker allerede, " Correa-Baena siger, "men der er stadig arbejde at gøre for at gøre disse mere holdbare."

Engang spørgsmål om produktion i stor skala, effektivitet, og holdbarhed behandles, Buonassisi siger, perovskites kan blive en stor spiller i industrien for vedvarende energi. "Hvis det lykkes dem at gøre bæredygtige, højeffektive moduler, samtidig med at de lave omkostninger ved fremstillingen bevares, det kunne ændre spillet, " siger han. "Det kunne tillade udvidelse af solenergi meget hurtigere, end vi har set."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.