Bedre forståelse af perovskit-solceller kunne øge udbredt brug

Forskere fra University of Houston har rapporteret den første forklaring på, hvordan en klasse af materialer ændres under produktionen for mere effektivt at absorbere lys, et kritisk skridt mod storstilet fremstilling af bedre og billigere solpaneler.

Arbejdet, udgivet i denne måned som forsidehistorie for Nanoskala , tilbyder et mekanismestudie af, hvordan en tynd perovskitfilm ændrer sin mikroskopiske struktur ved blid opvarmning, sagde Yan Yao, adjunkt i elektro- og computerteknik og hovedforfatter på papiret. Disse oplysninger er afgørende for at designe en fremstillingsproces, der konsekvent kan producere højeffektive solpaneler.

Sidste år identificerede Yao og andre forskere krystalstrukturen af ​​den ikke-støkiometriske mellemfase som nøgleelementet for højeffektive perovskit-solceller. Men hvad der skete under det senere termiske udglødningstrin forblev uklart. Arbejdet er grundlæggende videnskab, Yao sagde, men kritisk for behandling af mere effektive solceller.

"Ellers, det er som en sort boks, " sagde han. "Vi ved, at visse behandlingsbetingelser er vigtige, men vi ved ikke hvorfor."

Andre forskere involveret i projektet inkluderer førsteforfatter Yaoguang Rong, tidligere postdoc ved UH og nu lektor ved Huazhong University of Science and Technology i Kina; UH postdoc-stipendiater Swaminathan Venkatesan og Yanan Wang; Jiming Bao, lektor i el- og computerteknik ved UH; Rui Guo og Wenzhi Li fra Florida International University, og Zhiyong Fan af Hong Kong University of Science and Technology.

Yao er også hovedefterforsker ved Texas Center for Superconductivity på UH, som gav midler til arbejdet.

Arbejdet gav også en overraskelse:materialerne viste en maksimal effektivitet - den hastighed, hvormed materialet omdannede lys til elektricitet - før mellemfasetransformationen var afsluttet, foreslår en ny måde at producere filmene på for at sikre maksimal effektivitet. Yao sagde, at forskere ville have forventet, at den højeste effektivitet ville komme, efter at materialet var blevet omdannet til 100 procent perovskitfilm. I stedet, de opdagede, at de bedst ydende solenergienheder var dem, for hvilke konverteringen blev stoppet ved 18 procent af mellemfasen, før fuld konvertering.

"Vi fandt ud af, at fasesammensætningen og morfologien af ​​opløsningsmiddelfremstillede perovskitfilm er stærkt afhængige af bearbejdningsbetingelserne og kan påvirke fotovoltaisk ydeevne betydeligt, " skrev forskerne. "Den stærke afhængighed af forarbejdningsbetingelser tilskrives den molekylære udvekslingskinetik mellem organiske halogenidmolekyler og DMSO (dimethylsulfoxid) koordineret i den mellemliggende fase."

Perovskitforbindelser består almindeligvis af et hybridt organisk-uorganisk bly- eller tinhalogenid-baseret materiale og er blevet forfulgt som potentielle materialer til solceller i flere år. Yao sagde, at deres fordele inkluderer det faktum, at materialerne kan fungere som meget tynde film - omkring 300 nanometer, sammenlignet med mellem 200 og 300 mikrometer for siliciumwafers, det mest brugte materiale til solceller. Perovskite solceller kan også fremstilles ved opløsningsbehandling ved temperaturer under 150 grader Celsius (ca. 300 grader Fahrenheit), hvilket gør dem relativt billige at producere.

Når de er bedst, perovskite solceller har en effektivitetsgrad på omkring 22 procent, lidt lavere end for silicium (25 procent). Men prisen på siliciumsolceller falder også dramatisk, og perovskitceller er ustabile i luft, hurtigt miste effektivitet. De indeholder normalt også bly, et giftstof.

Stadig, Yao sagde, materialerne lover meget for solcelleindustrien, selvom de næppe helt vil erstatte silicium. I stedet, han sagde, de kan bruges sammen med silicium, øge effektiviteten til 30 procent eller deromkring.