Forskere undersøger materialeegenskaber for længerevarende, mere effektive solceller

Designerne af solceller ved, at deres kreationer skal kæmpe med en bred vifte af temperaturer og alle slags vejrforhold - forhold, der kan påvirke deres effektivitet og levetid.

Florida State University assisterende professor i kemi og biokemi Lea Nienhaus og tidligere FSU postdoc-forsker Sarah Wieghold hjælper med at forstå de grundlæggende processer i et materiale kendt som perovskites, arbejde, der kan føre til mere effektive solceller, der også gør et bedre stykke arbejde med at modstå nedbrydning. De fandt ud af, at små justeringer af materialernes kemiske sammensætning samt størrelsen af ​​det elektriske felt, det udsættes for, i høj grad kan påvirke den overordnede materialestabilitet.

Deres seneste arbejde er offentliggjort i et par undersøgelser i Journal of Materials Chemistry C og Journal of Applied Physics .

Deres forskning er fokuseret på at forbedre potentialet af perovskites, et materiale med en krystalstruktur baseret på positivt ladede blyioner kendt som kationer og negativt ladede halogenid-anioner. I en kubisk perovskit krystalstruktur, oktaedrene dannet af bly- og halogenidionerne er omgivet af yderligere positivt ladede kationer.

De første perovskit-solceller, som blev udviklet i 2006, havde en energikonverteringseffektivitet på omkring 3 procent, men celler udviklet i 2020 har en effektkonverteringseffektivitet på mere end 25 procent. Den hurtige stigning i effektiviteten gør dem til et lovende materiale for yderligere forskning, men de har ulemper for kommerciel levedygtighed, såsom en tendens til at nedbrydes hurtigt.

"Hvordan kan vi gøre perovskiter mere stabile under virkelige forhold, hvor de vil blive brugt?" sagde Nienhaus. "Hvad forårsager nedbrydningen? Det er det, vi forsøger at forstå. Perovskitter, der ikke nedbrydes hurtigt, kan være et værdifuldt værktøj til at få mere energi fra solceller."

Perovskites er et såkaldt "blødt materiale, " på trods af de ioniske bindinger i krystalgitteret, der udgør deres struktur. Halogeniderne eller kationerne i materialet kan bevæge sig gennem det gitter, hvilket kan øge deres nedbrydningshastighed, resulterer i mangel på langsigtet stabilitet.

I den Journal of Materials Chemistry C papir, forskerne undersøgte den kombinerede indflydelse af lys og forhøjet temperatur på ydeevnen af ​​blandet-kation blandet-halogenid perovskiter.

De fandt ud af, at tilsætning af en lille mængde af grundstoffet cæsium til perovskitfilmen øger materialets stabilitet under lys og høje temperaturer. Tilføjelse af rubidium, på den anden side, førte til dårligere præstationer.

"Vi fandt ud af, at afhængigt af valget af kation, to nedbrydningsveje kan observeres i disse materialer, som vi så korrelerede med et fald i ydeevne, " sagde Wieghold, nu en assisterende videnskabsmand ved Center for Nanoscale Materials and the Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory. "Vi viste også, at tilsætningen af ​​cæsium øgede filmstabiliteten under vores testbetingelser, hvilket er meget lovende resultater."

De fandt også, at et fald i filmydeevne for de mindre stabile perovskitblandinger var korreleret med dannelsen af ​​forbindelsen blybromid/iodid og en stigning i elektron-fonon-interaktioner. Dannelsen af ​​blybromid/iodid skyldes den uønskede nedbrydningsmekanisme, som skal undgås for at opnå langsigtet stabilitet og ydeevne af disse perovskit-solceller.

I Journal of Applied Physics papir, de undersøgte sammenhængen mellem spænding og ydeevnen af ​​perovskitmaterialer. Dette viste, at ionbevægelsen i materialet ændrer den underliggende elektriske respons, som vil være en kritisk faktor i solcelleydelsen.

"Perovskites præsenterer en stor mulighed for fremtiden for solceller, og det er spændende at hjælpe med at flytte denne videnskab fremad, " sagde Nienhaus.