Krystalstruktur opdaget for næsten 200 år siden kunne indeholde nøglen til solcellens revolution

Solenergiforskere ved Oregon State University skinner deres videnskabelige fokus på materialer med en krystalstruktur opdaget for næsten to århundreder siden.

Ikke alle materialer med strukturen, kendt som perovskitter, er halvledere. Men perovskitter baseret på et metal og et halogen er, og de rummer et enormt potentiale som fotovoltaiske celler, der kunne være meget billigere at lave end de siliciumbaserede celler, der har ejet markedet siden dets begyndelse i 1950'erne.

Potentiale nok, siger forskere, måske en dag skære betydeligt ind i fossile brændselers andel af energisektoren.

John Labram fra OSU College of Engineering er den tilsvarende forfatter på to nylige artikler om perovskitstabilitet, i Kommunikationsfysik og Journal of Physical Chemistry Letters , og bidrog også til et papir offentliggjort i dag i Videnskab .

Studiet i Videnskab , ledet af forskere ved University of Oxford, afsløret, at et molekylært additiv - et salt baseret på den organiske forbindelse piperidin - forbedrer perovskit-solcellernes levetid markant.

Resultaterne beskrevet i alle tre artikler uddyber forståelsen for en lovende halvleder, der stammer fra en længe siden opdagelse af en russisk mineralog. I Uralbjergene i 1839, Gustav Rose stødte på et oxid af calcium og titanium med en spændende krystalstruktur og navngav det til ære for den russiske adelsmand Lev Perovski.

Perovskite refererer nu til en række materialer, der deler originalens krystalgitter. Interessen for dem begyndte at accelerere i 2009, efter at en japansk videnskabsmand, Tsutomu Miyasaka, opdagede, at nogle perovskitter er effektive lysabsorbere.

"På grund af deres lave omkostninger, perovskite solceller har potentialet til at underbyde fossile brændstoffer og revolutionere energimarkedet, "Sagde Labram." Et dårligt forstået aspekt af denne nye klasse af materialer, imidlertid, er deres stabilitet under konstant belysning, et problem, der repræsenterer en barriere for kommercialisering."

I løbet af de sidste to år, Labrams forskergruppe på School of Electrical Engineering and Computer Science har bygget unikke eksperimentelle apparater til at studere ændringer i konduktans af solmaterialer over tid.

"Samarbejde med University of Oxford, vi demonstrerede, at lysinduceret ustabilitet forekommer over mange timer, selv i fravær af elektrisk kontakt, " sagde han. "Resultaterne hjælper med at tydeliggøre lignende resultater observeret i solceller og holder nøglen til at forbedre stabiliteten og kommercielle levedygtighed af perovskit-solceller."

Solcelleeffektivitet defineres af procentdelen af ​​strøm fra sollys, der rammer en celle, der konverteres til brugbar elektrisk strøm.

For syv årtier siden, Bell Labs udviklede den første praktiske solcelle. Den havde en beskeden, efter nutidens standarder, effektivitet på 6 % og var dyrt at fremstille, men den fandt en niche i at drive satellitterne, der blev lanceret i løbet af de begyndende dage af rumløbet.

Over tid, produktionsomkostningerne faldt og effektiviteten steg, selvom de fleste celler ikke har ændret sig særlig meget - de består stadig af to lag af næsten rent silicium, der er dopet med et additiv. absorberer lys, de bruger energien fra det til at skabe en elektrisk strøm på tværs af krydset mellem dem.

I 2012, en af ​​Labrams samarbejdspartnere, Henry Snaith af Oxford, gjorde den banebrydende opdagelse af, at perovskitter kunne bruges som hovedkomponent i solceller, snarere end bare som sensibiliserende. Dette førte til en storm af forskningsaktivitet og tusinder af videnskabelige artikler, der hvert år blev offentliggjort om emnet. Otte års forskning senere, perovskitceller kan nu fungere med 25 % effektivitet – hvilket gør dem, i hvert fald i laboratoriet, på niveau med kommercielle siliciumceller.

Perovskitceller kan fremstilles billigt af almindeligt tilgængelige industrielle kemikalier og metaller og kan printes på fleksible film af plast og masseproduceres. Siliciumceller, omvendt, er stive og lavet af tynde skiver af næsten rent silicium i en dyr, høj temperatur proces.

Et problem med perovskitter er deres tendens til at være noget ustabile, når temperaturerne stiger, og en anden er en sårbarhed over for fugt - en kombination, der kan få cellerne til at nedbrydes. Det er et problem for et produkt, der skal holde to eller tre årtier i fri luft.

"Generelt, at kunne sælge et solpanel i USA og Europa kræver 25 års garanti, " sagde Labram. "Det betyder i virkeligheden, at solcellen skal vise ikke mindre end 80 % af sin oprindelige ydeevne efter 25 år. Den nuværende teknologi, silicium, er ret god til det. Men silicium skal produceres dyrt ved temperaturer på over 2, 000 grader Celsius under kontrollerede forhold, at danne perfekt, krystaller uden fejl, så de fungerer korrekt. "

Perovskitter på den anden side er meget defekttolerante, sagde Labram.

"De kan opløses i et opløsningsmiddel, derefter udskrevet ved stuetemperatur, " sagde han. "Det betyder, at de i sidste ende kan produceres til en brøkdel af prisen på silicium, og dermed underskred fossile brændstoffer. Imidlertid, for at dette kan ske, de skal kunne attesteres med 25 års garanti. Dette kræver, at vi forstår og forbedrer stabiliteten af ​​disse materialer."

En vej til markedet er en tandemcelle fremstillet af både silicium og perovskitter, der kunne gøre mere af sollysets spektrum til energi. Laboratorietest på tandemceller har produceret effektiviteter på 28%, og effektivitet i midten af ​​30'erne virker realistiske, Sagde Labram.

"Tandemceller kan give solpanelproducenter mulighed for at tilbyde en ydeevne ud over alt, hvad silicium alene kan opnå, " sagde han. "Den dobbelte tilgang kunne hjælpe med at fjerne barrieren for at perovskites kommer ind på markedet, på vej til perovskitter, der i sidste ende fungerer som enkeltstående celler. "

Semi-gennemsigtig, perovskitfilm kan også en dag bruges på vinduer, eller i drivhuse, konvertere en del af det indgående sollys til elektricitet, mens resten lader passere igennem.

"Når det kommer til energiproduktion, omkostninger er den vigtigste faktor, "Sagde Labram." Silicium og perovskitter viser nu nogenlunde den samme effektivitet. På lang sigt, imidlertid, perovskit-solceller har potentiale til at blive fremstillet til en brøkdel af prisen på siliciumsolceller. Og selvom historien har vist os, at politisk handling mod klimaændringer stort set er ineffektiv, hvis du kan producere elektricitet fra vedvarende kilder til en lavere pris end fossile brændstoffer, alt du skal gøre er at lave produktet, så tager markedet sig af resten."