Ingeniører gør et lovende materiale stabilt nok til brug i solceller

Bløde og fleksible materialer kaldet halogenidperovskiter kunne gøre solceller mere effektive til væsentligt mindre omkostninger, men de er for ustabile til at bruge.

Et Purdue University-ledet forskerhold har fundet en måde at gøre halogenidperovskitter stabile nok ved at hæmme ionbevægelsen, der får dem til hurtigt at nedbrydes, oplåsning af deres brug til solpaneler såvel som elektroniske enheder.

Opdagelsen betyder også, at halogenidperovskitter kan stables sammen for at danne heterostrukturer, der ville tillade en enhed at udføre flere funktioner.

Resultaterne offentliggjort i tidsskriftet Natur onsdag (29. april). Andre samarbejdende universiteter omfatter Shanghai Tech University, Massachusetts Institute of Technology, University of California, Berkeley, og det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory.

Forskere har allerede set, at solceller lavet af perovskiter i laboratoriet yder lige så godt som solcellerne på markedet lavet af silicium. Perovskites har potentialet til at være endnu mere effektive end silicium, fordi der spildes mindre energi, når solenergi omdannes til elektricitet.

Og fordi perovskitter kan forarbejdes fra en opløsning til en tynd film, som blæk trykt på papir, de kunne produceres billigere i større mængder sammenlignet med silicium.

"Der har været 60 år med en fælles indsats for at lave gode siliciumenheder. Der har måske kun været 10 års fælles indsats på perovskiter, og de er allerede lige så gode som silicium, men de holder ikke, " sagde Letian Dou (lah-TEEN dej), en Purdue assisterende professor i kemiteknik.

En perovskit består af komponenter, som en ingeniør individuelt kan udskifte på nanometerskalaen for at justere materialets egenskaber. Inkludering af flere perovskiter i en solcelle eller integreret kredsløb ville gøre det muligt for enheden at udføre forskellige funktioner, men perovskitter er for ustabile til at stable sammen.

Dous team opdagede, at blot ved at tilføje et stift omfangsrigt molekyle, kaldet bithiophenylethylammonium, til overfladen af ​​en perovskit stabiliserer bevægelsen af ​​ioner, forhindrer kemiske bindinger i at bryde let. Forskerne påviste også, at tilsætning af dette molekyle gør en perovskit stabil nok til at danne rene atomare forbindelser med andre perovskiter, giver dem mulighed for at stable og integrere.

"Hvis en ingeniør ønskede at kombinere de bedste dele om perovskite A med de bedste dele om perovskite B, det kan typisk ikke ske, fordi perovskitterne bare blander sig sammen, " sagde Brett Savoie (SAHV-oy), en Purdue assisterende professor i kemiteknik, som udførte simuleringer, der forklarede, hvad eksperimenterne afslørede på et kemisk niveau.

"I dette tilfælde, du kan virkelig få det bedste fra A og B i et enkelt materiale. Det er fuldstændig uhørt."

Det omfangsrige molekyle tillader en perovskit at forblive stabil, selv når den opvarmes til 100 grader Celsius. Solceller og elektroniske enheder kræver forhøjede temperaturer på 50-80 grader Celsius for at fungere.

Disse resultater betyder også, at det kunne være muligt at inkorporere perovskiter i computerchips, sagde forskerne. Små kontakter i computerchips, kaldet transistorer, stole på små kryds til at styre elektrisk strøm. Et mønster af perovskiter kan tillade chippen at udføre flere funktioner end med kun ét materiale.