Forskning i perovskit-silicium tandemceller viser ny vej at gå

Forskere ved National Renewable Energy Laboratory (NREL), arbejder i samarbejde med deres modparter i Republikken Korea, har valideret potentialet i at bruge en kombination af perovskit og silicium til at skabe solceller, der er mere end 30 % effektive.

Deres første solcelle opnåede en certificeret effektivitet på 26,2 %.

"Denne undersøgelse giver en ny generel tilgang med klare teknologiske gennembrud og videnskabelig indsigt til yderligere fremskridt inden for perovskit-teknologier, " sagde Kai Zhu, en tilsvarende forfatter til et nyligt offentliggjort papir i tidsskriftet Videnskab der skitserer arbejdet. Zhu er seniorforsker i Chemistry and Nanoscience Center ved NREL.

I sig selv, perovskit-komponenten havde en effektivitet på 20,7 %, den højeste rapporterede i litteraturen for wide-bandgap perovskites.

Forskerne bemærkede også, at accelererede test viste, at perovskitcellen udviste "fremragende langtidsstabilitet" ved at bevare mere end 80 procent af sin oprindelige effektivitet efter 1. 000 timers kontinuerlig belysning.

Udtrykket perovskit refererer til en krystallinsk struktur. Perovskite solceller er lavet gennem en kombination af elementer og har vist sig som den hurtigst fremadskridende solteknologi.

Forskningen vises i et nyligt offentliggjort papir i tidsskriftet Videnskab , "Effektiv, stabile silicium-tandemceller aktiveret af anion-konstruerede perovskitter med bred båndgab." Ud over Zhu, avisen var medforfatter af Bryon Larson, Sean Dunfield, Chuanxiao Xiao, Jinhui Tong, Fei Zhang, og Joseph Berry, alle fra NREL; og en gruppe videnskabsmænd ledet af Byungha Shin (Korea Advanced Institute of Science and Technology), Dong Hoe Kim (Sejong University), og Jin Young Kim (Seoul National University), fra Republikken Korea.

Zhu, Dong Hoe Kim, og Shin udtænkte forskningsprojektet, som blev delvist finansieret af Energiministeriets Solar Energy Technologies Office. Forskerne sagde, at tandemsolcellen kunne overgå 30% effektivitet, når der er gjort yderligere arbejde for at perfektionere siliciumlaget.

Tandem-solenheden er lavet af en top-perovskit-celle og en nederste siliciumcelle. Både top og bund optager separate segmenter af solspektret gennem et båndgab. Jo større båndgabet er på den øverste perovskitcelle, jo mere sollys kan den nederste siliciumenhed absorbere. Båndgabet for silicium er fastsat til 1,1 elektron-volt (eV), men båndgabet for perovskites kan justeres kemisk, eller "tunet". Det ideelle er omkring 1,7 eV, men for at opnå det kræver det at erstatte jod med brom. For meget brom, imidlertid, kan gøre perovskitten ustabil.

Forskere på området har udforsket brugen af ​​den såkaldte todimensionelle (2-D) fase, hvori plader af blyhalogenid-oktaedre adskilt af langkædede molekyler tilsættes til perovskitten til brug som passiveringsmiddel for at reducere kemisk reaktivitet. Brugen af ​​passiveringslag har vist sig at være effektiv til at forbedre stabiliteten og ydeevnen af ​​perovskitter.

Ved konstruktion af passiveringslaget, videnskabsmændene ved NREL og deres kolleger i udlandet fokuserede på at konstruere de negativt ladede ioner - kaldet anioner - af 2-D additiver, i stedet for de positivt ladede ioner (kationer) andre har fokuseret på. Ved at introducere thiocyanat og blande det med jod, forskerne var i stand til at forbedre strukturen og de optoelektroniske egenskaber af den brede båndgap (1,68 eV) perovskit og enhedens ydeevne. Brugen af ​​thiocyanat gjorde det muligt for forskerne at øge enhedens nuværende tæthed, mens jodet forbedrede spændingen.

Arbejde med kolleger på University of Toronto, Xiao og Zhu udviklede en perovskit-silicium tandem med certificeret 25,7 % effektivitet og et ubetydeligt fald i ydeevne efter 400 timer. Resultaterne blev rapporteret tidligere på måneden i Videnskab .

Parallel forskning ved NREL fokuserede på en meget stabil perovskit-silicium tandem. Også rapporteret tidligere på måneden i Videnskab , enheden blev fremstillet ved at bruge en kombination af jod, brom, og klor. Den certificerede effektivitet af den stabile tandemanordning var 25,8%.