Hemmeligheden bag behandling af akilleshæl af perovskit-alternativer til siliciumsolpaneler afsløret

Et team af forskere fra Storbritannien og Japan har fundet ud af, at de små defekter, der begrænser effektiviteten af ​​perovskiter - billigere alternative materialer til solceller - også er ansvarlige for strukturelle ændringer i materialet, der fører til nedbrydning.

Forskerne brugte en kombination af teknikker til at efterligne ældningsprocessen under sollys og observere ændringer i materialerne på nanoskala, hvilket hjalp dem med at få ny indsigt i materialerne, som også viser potentiale for optoelektroniske applikationer såsom energieffektive LED'er og røntgenstråler. detektorer, men er begrænset i deres levetid.

Deres resultater, rapporteret i tidsskriftet Nature , kunne fremskynde udviklingen af ​​langtidsholdbare, kommercielt tilgængelige perovskite solceller betydeligt.

Perovksites er rigelige og meget billigere at behandle end krystallinsk silicium. De kan fremstilles i flydende blæk, der blot trykkes for at producere en tynd film af materialet.

Mens den samlede energiproduktion fra perovskit-solceller ofte kan opfylde eller - i tilfælde af "tandem"-enheder med flere lag - overstige, hvad der kan opnås med traditionelle silicium solceller, er enhedernes begrænsede levetid en nøglebarriere for deres kommercielle levedygtighed.

Et typisk siliciumsolpanel, som dem du måske ser på taget af et hus, holder typisk omkring 20-25 år uden væsentlige ydeevnetab.

Fordi perovskite-enheder er meget billigere at producere, behøver de måske ikke at have så lang levetid som deres silicium-modstykker for at komme ind på nogle markeder. Men for at opfylde deres ultimative potentiale i at realisere udbredt dekarbonisering, skal cellerne fungere i mindst et årti eller mere. Forskere og producenter har endnu ikke udviklet en perovskit-enhed med samme stabilitet som siliciumceller.

Nu har forskere ved University of Cambridge og Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i Japan opdaget hemmeligheden bag behandling af "akilleshælen" af perovskitter.

Ved at bruge et værktøjssæt med høj rumlig opløsningsteknikker, i samarbejde med Diamond Light Source synkrotronfaciliteten og elektron Physical Sciences Imaging Center (ePSIC) i Didcot og Institut for Materialevidenskab og Metallurgi i Cambridge, var holdet i stand til at observere egenskaber i nanoskala af disse tynde film, og hvordan de ændrer sig over tid under solbelysning.

Tidligere arbejde udført af teamet, der brugte lignende teknikker, har kastet lys over de defekter, der forårsager mangler i ydeevnen af ​​perovskit-solcelleanlæg - såkaldte bærerfælder.

"Ved at belyse perovskitfilmene over tid og simulere ældningen af ​​solcelleenheder, finder vi ud af, at den mest interessante dynamik finder sted ved disse nanoskopiske fældeklynger," sagde medforfatter Dr. Stuart Macpherson fra Cambridges Cavendish Laboratory.

"Vi ved nu, at de ændringer, vi ser, er relateret til fotonedbrydning af filmene. Som et resultat kan effektivitetsbegrænsende bærerfælder nu forbindes direkte med det lige så afgørende spørgsmål om solcellernes levetid."

"Det er ret spændende," sagde medforfatter Dr. Tiarnan Doherty, fra Cambridge's Department of Chemical Engineering and Biotechnology, og Murray Edwards College, "fordi det antyder, at hvis du kan håndtere dannelsen af ​​disse overfladefælder, så vil du samtidig forbedre ydeevne og enhedernes stabilitet over tid."

Ved at justere den kemiske sammensætning, og hvordan perovskitfilmen dannes, i forberedelsen af ​​enhederne, har forskerne vist, at det er muligt at kontrollere, hvor mange af disse skadelige faser, der dannes, og i forlængelse heraf, hvor længe enheden vil vare.

"De mest stabile enheder ser ud til at sænke tætheden af ​​skadelige faser serendipitalt gennem subtile sammensætningsmæssige og strukturelle modifikationer," sagde Doherty. "Vi håber, at dette papir afslører en mere rationel, målrettet tilgang til at gøre dette og opnå de højest ydende enheder, der fungerer med maksimal stabilitet."

Gruppen er optimistisk over, at deres seneste resultater vil bringe os endnu tættere på de første kommercielt tilgængelige perovskite solceller.

"Perovskite solceller er på nippet til kommercialisering, hvor de første produktionslinjer allerede producerer moduler," sagde Dr. Sam Stranks fra Cambridges afdeling for kemiteknik og bioteknologi, som ledede forskningen.

"Vi forstår nu, at eventuelle resterende uønskede faser - selv små nanoskala lommer tilbage fra behandlingen af ​​cellerne - vil være dårlige nyheder for levetiden af ​​perovskit solceller. Fremstillingsprocesserne skal derfor inkorporere omhyggelig justering af strukturen og sammensætningen over et stort område to eliminate any trace of these unwanted phases—even more careful control than is widely thought for these materials. This is a great example of fundamental science directly guiding scaled manufacturing."

"It has been very satisfying to see the approaches that we've developed at OIST and Cambridge over the past several years provide direct visuals of these tiny residual unwanted phases, and how they change over time," said co-author Dr. Keshav Dani of OIST's Femtosecond Spectroscopy Unit. "The hope remains that these techniques will continue to reveal the performance limiting aspects of photovoltaic devices, as we work towards studying operational devices."

"Another strength of perovskite devices is that they can be made in countries where there's no existing infrastructure for processing monocrystalline silicon," said Macpherson. "Silicon solar cells are cheap in the long term but require a substantial initial capital outlay to begin processing. But for perovskites, because they can be solution processed and printed so easily, using far less material, you remove that initial cost. They offer a viable option for low- and middle-income countries looking to transition to solar energy." + Udforsk yderligere

New roadmap to better performing solar energy cells