Kvantearmeringsjern:Kvanteprikker forbedrer stabiliteten af ​​solfangende perovskitkrystaller

University of Toronto Engineering-forskere har kombineret to nye teknologier til næste generation af solenergi - og opdaget, at hver af dem hjælper med at stabilisere den anden. Det resulterende hybridmateriale er et stort skridt i retning af at reducere omkostningerne ved solenergi og samtidig multiplicere de måder, det kan bruges på.

I dag er stort set alle solceller lavet af højrent silicium. Det er en veletableret teknologi, og i de senere år er fremstillingsomkostningerne faldet betydeligt på grund af stordriftsfordele. Alligevel, silicium har en øvre grænse for dets effektivitet. Et hold ledet af professor Ted Sargent forfølger komplementære materialer, der kan forbedre solfangstpotentialet for silicium ved at absorbere bølgelængder af lys, som silicium ikke gør.

"To af de teknologier, vi forfølger i vores laboratorium, er perovskitkrystaller og kvantepunkter, " siger Sargent. "Begge disse er modtagelige for løsningsbehandling. Forestil dig en 'solar blæk', der kunne printes på fleksibel plast for at skabe lave omkostninger, bøjelige solceller. Vi kan også kombinere dem foran, eller bagved, silicium solceller for yderligere at forbedre deres effektivitet. "

En af de vigtigste udfordringer for både perovskiter og kvanteprikker er stabilitet. Ved stuetemperatur, nogle typer perovskitter oplever en justering i deres 3-D krystalstruktur, der gør dem gennemsigtige-de absorberer ikke længere solstråling fuldt ud.

For deres vedkommende kvanteprikker skal være dækket af et tyndt lag kendt som et passiveringslag. Dette lag - kun et enkelt molekyle tykt - forhindrer kvantepunkterne i at klæbe til hinanden. Men temperaturer over 100 C kan ødelægge passiveringslaget, får kvanteprikkerne til at samle sig eller klumpe sig sammen, ødelægger deres evne til at høste lys.

I et papir offentliggjort i dag i Natur , et team af forskere fra Sargents laboratorium rapporterer om en måde at kombinere perovskiter og kvanteprikker på, der stabiliserer begge dele.

"Før vi gjorde dette, folk forsøgte normalt at løse de to udfordringer hver for sig, " siger Mengxia Liu, avisens hovedforfatter.

"Forskning har vist den succesrige vækst af hybridstrukturer, der inkorporerede både perovskitter og kvanteprikker, "siger Liu, som nu er postdoc ved Cambridge University. "Dette inspirerede os til at overveje muligheden for, at de to materialer kunne stabilisere hinanden, hvis de deler den samme krystalstruktur."

Liu og holdet byggede to typer hybridmaterialer. Den ene var primært kvanteprikker med omkring 15% perovskitter efter volumen, og er designet til at omdanne lys til elektricitet. Den anden var primært perovskitter med mindre end 15 % kvanteprikker efter volumen, og er bedre egnet til at omdanne elektricitet til lys, for eksempel, som en del af en lysdiode (LED).

Holdet var i stand til at vise, at det perovskitrige materiale forblev stabilt under omgivende forhold (25 C og 30 % luftfugtighed) i seks måneder, omkring ti gange længere end materialer sammensat af den samme perovskit alene. Hvad angår quantum dot-materialet, ved opvarmning til 100 C, aggregeringen af ​​nanopartiklerne var fem gange lavere, end hvis de ikke var blevet stabiliseret med perovskitter.

"Det beviste vores hypotese bemærkelsesværdigt godt, " siger Liu. "Det var et imponerende resultat ud over vores forventninger."

Det nye papir giver bevis på, at ideen om, at denne slags hybridmaterialer kan øge stabiliteten. I fremtiden, Liu håber, at solcelleproducenter vil tage hendes ideer og forbedre dem endnu længere for at skabe løsningsbehandlede solceller, der opfylder alle de samme kriterier som traditionelt silicium.

"Industriforskere kunne eksperimentere ved at bruge forskellige kemiske grundstoffer til at danne perovskitterne eller kvanteprikkerne, " siger Liu. "Det, vi har vist, er, at dette er en lovende strategi for at forbedre stabiliteten i den slags strukturer."

"Perovskitter har vist et enormt potentiale som solmaterialer; men grundlæggende løsninger er nødvendige for at gøre dem til stabile og robuste materialer, der kan opfylde de krævende krav i sektoren for vedvarende energi." siger Jeffrey C. Grossman, Morton og Claire Goulder og familieprofessor i miljøsystemer og professor i afdelingen for materialevidenskab og teknik ved Massachusetts Institute of Technology, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Toronto-undersøgelsen viser en spændende ny vej til at fremme forståelsen, og præstationen, af stabile perovskitkrystalfaser."

Liu krediterer opdagelsen delvist til det kollaborative miljø i teamet, som omfattede forskere fra mange discipliner, herunder kemi, fysik og hendes eget felt inden for materialevidenskab.

"Perovskit og kvanteprikker har forskellige fysiske strukturer, og lighederne mellem disse materialer er normalt blevet overset, " she says. "This discovery shows what can happen when we combine ideas from different fields."