Molekylær lim gør perovskite solceller dramatisk mere pålidelige over tid

Et forskerhold fra Brown University har taget et stort skridt i retning af at forbedre den langsigtede pålidelighed af perovskite solceller, en ny teknologi for ren energi. I en undersøgelse, der offentliggøres fredag, 7. maj i journalen Videnskab , teamet demonstrerer en "molekylær lim", der holder en nøglegrænseflade inde i celler fra at forringes. Behandlingen øger cellernes stabilitet og pålidelighed dramatisk over tid, samtidig med at de forbedrer effektiviteten, hvormed de konverterer sollys til elektricitet.

"Der har været store fremskridt med at øge effektomdannelseseffektiviteten af ​​perovskite solceller, "sagde Nitin Padture, en professor i teknik ved Brown University og seniorforfatter af den nye forskning. "Men den sidste hindring, der skal ryddes, inden teknologien kan være bredt tilgængelig, er pålidelighed - at lave celler, der bevarer deres ydeevne over tid. Det er en af ​​de ting, min forskergruppe har arbejdet med, og vi er glade for at rapportere nogle vigtige fremskridt. "

Perovskitter er en klasse af materialer med en særlig krystallinsk atomstruktur. For lidt over et årti siden, forskere viste, at perovskitter er meget gode til at absorbere lys, som satte gang i en oversvømmelse af ny forskning i perovskite solceller. Effektiviteten af ​​disse celler er steget hurtigt og konkurrerer nu med traditionelle siliciumceller. Forskellen er, at perovskite lysdæmpere kan laves ved nær stuetemperatur, der henviser til, at silicium skal dyrkes fra en smelte ved en temperatur, der nærmer sig 2, 700 grader Fahrenheit. Perovskitfilm er også cirka 400 gange tyndere end siliciumskiver. Den relative lette fremstillingsprocesser og anvendelsen af ​​mindre materiale betyder, at perovskitceller potentielt kan fremstilles til en brøkdel af prisen på siliciumceller.

Mens effektivitetsforbedringerne i perovskitter har været bemærkelsesværdige, Padture siger, at gøre cellerne mere stabile og pålidelige er forblevet udfordrende. En del af problemet har at gøre med den lagdeling, der kræves for at lave en fungerende celle. Hver celle indeholder fem eller flere forskellige lag, hver udfører en anden funktion i elproduktionsprocessen. Da disse lag er fremstillet af forskellige materialer, de reagerer forskelligt på ydre kræfter. Også, temperaturændringer, der sker under fremstillingsprocessen og under service, kan få nogle lag til at ekspandere eller trække sig mere sammen end andre. Det skaber mekaniske belastninger ved laggrænsefladerne, der kan få lagene til at afkoble. Hvis grænsefladerne kompromitteres, cellens ydelse styrter sammen.

Den svageste af disse grænseflader er den mellem perovskitfilmen, der bruges til at absorbere lys og elektrontransportlaget, som holder strømmen gennem cellen.

"En kæde er kun så stærk som sit svageste led, og vi identificerede denne grænseflade som den svageste del af hele stakken, hvor fejl er mest sandsynligt, "sagde Padture, der leder Institute for Molecular and Nanoscale Innovation hos Brown. "Hvis vi kan styrke det, så kan vi begynde at foretage reelle forbedringer af pålideligheden. "

At gøre det, Padture trak på sin erfaring som materialeforsker, udvikling af avancerede keramiske belægninger, der bruges i flymotorer og andre højtydende applikationer. Han og hans kolleger begyndte at eksperimentere med forbindelser kendt som selvsamlede monolag eller SAM'er.

"Dette er en stor klasse af forbindelser, "Sagde Padture." Når du lægger disse på en overflade, molekylerne samler sig i et enkelt lag og står op som korte hår. Ved at bruge den rigtige formulering, du kan danne stærke bindinger mellem disse forbindelser og alle slags forskellige overflader. "

Padture og hans team fandt ud af, at en formulering af SAM med siliciumatom på den ene side, og jodatom på den anden, kunne danne stærke bindinger med både valgtransportlaget (som normalt er lavet af tinoxid) og det perovskite lysabsorberende lag. Teamet håbede på, at bindingerne dannet af disse molekyler kunne styrke laggrænsefladen. Og de havde ret.

"Da vi introducerede SAM'erne til grænsefladen, vi fandt ud af, at det øger brudstyrken i grænsefladen med omkring 50%, hvilket betyder, at eventuelle revner, der dannes ved grænsefladen, ikke har tendens til at spredes særlig langt, "Padture sagde." Så faktisk SAM'erne bliver en slags molekylær lim, der holder de to lag sammen. "

Test af solcellefunktion viste, at SAM'erne dramatisk øgede perovskitcellernes funktionelle levetid. Ikke-SAM-celler, der var forberedt til undersøgelsen, beholdt 80% af dets oprindelige effektivitet i omkring 700 timers laboratorietest. I mellemtiden gik SAM -cellerne stadig stærkt efter 1, 330 timers test. Baseret på disse forsøg, forskerne anslår, at 80%-retained-efficiency life er omkring 4, 000 timer.

"En af de andre ting, vi gjorde, som folk normalt ikke gør, er vi brød cellerne op efter test, "sagde Zhenghong Dai, en brun doktorand og første forfatter af forskningen. "I kontrolcellerne uden SAM'erne, vi så alle former for skader såsom hulrum og revner. Men med SAM'erne, de skærpede grænseflader så rigtig godt ud. Det var en dramatisk forbedring, der virkelig chokerede os. "

Vigtigere, Padture sagde, forbedringen i sejhed kom ikke på bekostning af strømkonverteringseffektivitet. Faktisk, SAM'erne forbedrede faktisk cellens effektivitet med en lille mængde. Det skete, fordi SAM'erne eliminerede små molekylære defekter, der dannes, når de to lag bindes i fravær af SAM'er.

"Den første regel til forbedring af den mekaniske integritet af funktionelle enheder er 'gør ingen skade, "" Sagde Padture. "Så vi kunne forbedre pålideligheden uden at miste effektivitet - og endda forbedre effektiviteten - var en dejlig overraskelse."

SAM'erne selv er fremstillet af let tilgængelige forbindelser og påføres let med en dip-coating proces ved stuetemperatur. Så tilføjelsen af ​​SAM'er ville potentielt øge produktionsomkostningerne lidt, Sagde Padture.

Forskerne planlægger at bygge videre på denne succes. Nu hvor de har forstærket det svageste led i perovskit -solcellestakken, de vil gerne gå videre til den næste svageste, derefter den næste og så videre, indtil de har forstærket hele stakken. Dette arbejde vil indebære styrkelse af ikke kun grænsefladerne, men også selve materialelagene. For nylig, Padtures forskningsgruppe vandt et tilskud på 1,5 millioner dollars fra det amerikanske energiministerium for at udvide deres forskning.

"Det er den slags forskning, der kræves for at lave celler, der er billige, effektiv og fungerer godt i årtier, "Sagde Padture.