Meget effektive perovskit-solceller med forbedret stabilitet og minimeret blylækage

Mens energikonverteringseffektiviteten for perovskit-solceller (PVSC'er) - en fremtid for solceller - allerede er blevet væsentligt forbedret i det sidste årti, problemerne med ustabilitet og potentielle miljøpåvirkninger mangler endnu at blive overvundet. For nylig, forskere fra City University of Hong Kong (CityU) har udviklet en ny metode, som samtidig kan tackle lækagen af ​​bly fra PVSC'er og stabilitetsproblemet uden at gå på kompromis med effektiviteten, baner vejen for real-life anvendelse af perovskite solcelleteknologi.

Forskerholdet ledes i fællesskab af professor Alex Jen Kwan-yue, CityUs prost og formand professor i kemi og materialevidenskab, sammen med professor Xu Zhengtao og Dr. Zhu Zonglong fra Institut for Kemi. Deres forskningsresultater blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi , med titlen "2-D metal-organisk ramme til stabile perovskit-solceller med minimeret blylækage."

I øjeblikket, den højeste effektkonverteringseffektivitet for PVSC'er har været på niveau med de avancerede siliciumbaserede solceller. Imidlertid, de anvendte perovskitter indeholder blykomponent, som giver anledning til bekymring for potentiel miljøforurening. "Når solcellen ældes, blyarten kan lække gennem enhederne, f.eks. gennem regnvand ned i jorden, udgør en toksicitetstrussel for miljøet, " forklarede professor Jen, som er ekspert i PVSC'er. "At sætte PVSC'er til storstilet kommerciel anvendelse, det kræver ikke kun høj effektkonverteringseffektivitet, men også langsigtet enhedsstabilitet og minimeret miljøpåvirkning."

Samarbejde med professor Xu, hvis ekspertise er materialesyntese, Professor Jen og Dr. Zhu førte holdet til at overvinde ovennævnte udfordringer ved at anvende todimensionelle (2-D) metal-organiske rammer (MOF'er) til PVSC'er. "Vi er det første team til at fremstille PVSC-enheder med minimeret blylækage, god langsigtet stabilitet og høj effektkonverteringseffektivitet på samme tid, Professor Jen opsummerede deres forskningsgennembrud.

Multifunktionelt MOF-lag

Metal-organiske rammematerialer (MOF) er tidligere blevet anvendt som stilladser for at skabe skabeloner for væksten af ​​perovskiter. Forskere har også brugt dem som additiver eller overflademodifikatorer til at passivere (for at reducere reaktiviteten af ​​materialets overflade) perovskits defekter for at forbedre enhedens ydeevne og stabilitet.

Imidlertid, de fleste af 3-D MOF'erne er ret elektrisk isolerende med lav ladningsbærermobilitet, derfor uegnet til at blive brugt som ladningstransporterende materialer.

Men MOF'erne udarbejdet af professor Xu er anderledes. De er honeycomb-lignende, 2-D struktur udstyret med talrige thiolgrupper som en nøglefunktionalitet. De har passende energiniveauer, gør dem i stand til at være et elektronudvindingslag (også kaldet "elektronopsamlingslag"), hvor elektroner til sidst opsamles af PVSC'ernes elektrode. "Vores molekylært konstruerede MOF'er besidder egenskaben af ​​en multifunktionel halvleder, og kan bruges til at forbedre ladningsudvindingseffektiviteten, " forklarede professor Xu.

Indfangning af blyionerne for at forhindre kontaminering

Vigtigere, de tætte arrays af thiol- og disulfidgrupper i MOF'erne kan "fange" tungmetalioner ved perovskit-elektrode-grænsefladen for at afbøde blylækage.

"Vores eksperimenter viste, at den MOF, der blev brugt som det ydre lag af PVSC-enheden, fangede over 80% af de lækkede blyioner fra den nedbrudte perovskit og dannede vanduopløselige komplekser, som ikke ville forurene jorden, Professor Jen forklarede. I modsætning til de fysiske indkapslingsmetoder, der bruges til at reducere blylækage i andre undersøgelser, denne in-situ kemiske sorption af bly af den integrerede MOF-komponent i enheden viste sig at være mere effektiv og bæredygtig til langsigtede praktiske anvendelser.

Langsigtet driftsstabilitet opnået

I øvrigt, dette MOF-materiale kunne beskytte perovskiter mod fugt og ilt og samtidig opretholde høj effektivitet.

Effektkonverteringseffektiviteten af ​​deres PVSC-enhed modificeret med MOF kunne nå 22,02 % med en fyldningsfaktor på 81,28 % og en åben kredsløbsspænding på 1,20 V. Både konverteringseffektiviteten og den registrerede åben kredsløbsspænding er blandt de højeste værdier, der er rapporteret for plane inverterede PVSC'er. På samme tid, enheden udviste overlegen stabilitet i et omgivende miljø med en relativ luftfugtighed på 75 %, opretholdelse af 90 % af sin oprindelige effektivitet efter 1, 100 timer. I modsætning, effektkonverteringseffektiviteten af ​​PVSC uden MOF faldt betydeligt til mindre end 50 % af dens oprindelige værdi.

Også, deres enhed bevarede 92 % af sin oprindelige effektivitet under kontinuerlig lysbestråling i 1, 000 timer ved 85°C. "Et sådant stabilitetsniveau har allerede opfyldt standarden for kommercialisering fastsat af International Electrotechnical Commission (IEC), " sagde Dr. Zhu.

"Dette er et meget betydningsfuldt resultat, som beviste, at vores MOF-metode er teknisk gennemførlig og har potentialet til at kommercialisere PVSC-teknologien, " tilføjede professor Jen.

Meget effektive PVSC'er til rene energiapplikationer

Det tog holdet næsten to år at udføre denne lovende forskning. Deres næste skridt vil være yderligere at forbedre effektkonverteringseffektiviteten og udforske måderne til at sænke produktionsomkostningerne.

"Vi håber i fremtiden, at fremstillingen af ​​denne type PVSC'er vil være som at 'udskrive' aviser og let skaleres op i produktionen, lette udrulningen i stor skala af højeffektive PVSC'er til ren energianvendelse, " konkluderede professor Jen.