En bedre metode til fremstilling af perovskit-solceller

Forskning ledet af en Brown University Ph.D. studerende har afsløret en ny måde at lave lysabsorberende perovskitfilm til brug i solceller.

Den nye metode involverer et opløsningsmiddelbad ved stuetemperatur for at skabe perovskitkrystaller, snarere end den varmeblæst, der bruges i de nuværende krystallisationsmetoder. En undersøgelse offentliggjort i Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A viser, at teknikken producerer krystallinske film af høj kvalitet med præcis kontrol over tykkelsen over store områder, og kunne pege vejen mod masseproduktionsmetoder for perovskitceller.

Perovskites, en klasse af krystallinske materialer, har vakt en del opsigt i den rene energiverden. Perovskite film er fremragende lysabsorberende og er meget billigere at lave end silicium wafers, der bruges i standard solceller. Effektiviteten af ​​perovskitceller - procentdelen af ​​sollys omdannet til elektricitet - er steget med et svimlende tempo på få år. De første perovskitceller introduceret i 2009 klarede en effektivitet på kun omkring 4 procent, langt fra de 25 procent effektivitet, som standard siliciumceller kan prale af. Men sidste år, perovskitceller var blevet certificeret til at have mere end 20 procent effektivitet. Den hurtige forbedring af ydeevnen er lovende, og forskere er i gang med at begynde at bruge perovskitceller i kommercielle produkter.

Der er en række forskellige måder at lave filmene på, men næsten alle af dem kræver varme. Perovskit precursor kemikalier opløses i en opløsning, som derefter coates på et underlag. Der tilføres varme for at fjerne opløsningsmidlet, efterlader perovskitkrystallerne til at dannes i en film på tværs af substratet.

"Folk har lavet gode film over relativt små områder - en brøkdel af en centimeter eller deromkring. Men de har været nødt til at gå til temperaturer fra 100 til 150 grader Celsius, og at opvarmningsprocessen forårsager en række problemer, " sagde Nitin Padture, professor i ingeniørvidenskab og direktør for Institute for Molecular and Nanoscale Innovation.

For eksempel, krystallerne dannes ofte ujævnt, når de varmebehandles, efterlader små huller i filmen. I en solcelle, disse nålehuller kan reducere effektiviteten. Varme begrænser også de substrater, som film kan afsættes på. Fleksible plastunderlag, for eksempel, kan ikke bruges, fordi de er beskadiget af høje temperaturer.

Yuanyuan Zhou, en kandidatstuderende i Padtures laboratorium, ville se om der var en måde at lave perovskit krystal tynde film uden at skulle påføre varme. Han kom op med, hvad der er kendt som en solvent-solvent extraction (SSE) tilgang.

I sin metode, perovskit-prækursorer opløses i et opløsningsmiddel kaldet NMP og coates på et substrat. Derefter, i stedet for opvarmning, substratet er badet i diethylether (DEE), et andet opløsningsmiddel, der selektivt griber NMP-opløsningsmidlet og pisker det væk. Tilbage er en ultraglat film af perovskitkrystaller.

Fordi der ikke er nogen opvarmning involveret, krystallerne kan dannes på stort set ethvert substrat - selv varmefølsomme polymersubstrater, der bruges i fleksible solceller. En anden fordel er, at hele SSE-krystalliseringsprocessen tager mindre end to minutter, sammenlignet med en time eller mere til varmebehandling. Det gør processen mere modtagelig for masseproduktion, fordi den kan udføres i en slags samlebåndsproces.

SSE-tilgangen gør det også muligt at lave film meget tynde og samtidig opretholde høj kvalitet. Standard perovskitfilm er generelt i størrelsesordenen 300 nanometer tykke. Men Zhou har været i stand til at lave film af høj kvalitet helt ned til 20 nanometer. SSE-filmene kunne også gøres større - adskillige centimeter kvadratiske - uden at generere nålehuller.

"Ved at bruge de andre metoder, når tykkelsen kommer under 100 nanometer, kan du næsten ikke dække filmen fuldt ud, " sagde Zhou. "Du kan lave en film, men du får mange nålehuller. I vores proces, du kan danne filmen jævnt ned til 20 nanometer, fordi krystallisationen ved stuetemperatur er meget mere afbalanceret og sker umiddelbart over hele filmen ved badning."

Disse ultratynde film er delvist gennemsigtige (film af standardtykkelse er sorte og uigennemsigtige), så de kunne bruges til at lave solcellevinduer, siger forskerne. Og ved at justere sammensætningen af ​​perovskit-prækursoropløsningen, Zhou har været i stand til at lave celler i forskellige farver.

"Disse kunne potentielt bruges til dekorative, bygningsintegrerede vinduer, der kan lave strøm, " sagde Padture.

Gruppen planlægger at gøre mere arbejde for at forfine processen, men de er opmuntret af de tidlige resultater. Arbejder med forskere ved National Renewable Energy Laboratory i Colorado, indledende test af celler lavet med SSE-film viste en konverteringseffektivitet på over 15 procent. Solceller baseret på semitransparente 80 nanometer film fremstillet ved hjælp af processen viste sig at have højere effektivitet end nogen anden ultratynd film.

"Vi tror, ​​at dette kan være et væsentligt skridt hen imod en række kommercielt tilgængelige perovskitcelleprodukter, " sagde Padture.