Højeffektive formamidinium-baserede perovskit-solceller med driftslevetid over 2000 timer

Solceller, som omdanner sollys til elektricitet, har længe været en del af den globale vision for vedvarende energi. Selvom individuelle celler er meget små, når opskaleret til moduler, de kan bruges til at oplade batterier og strømlamper. Hvis det er lagt side om side, de kunne, en dag, være den primære energikilde til bygninger. Men de solceller, der i øjeblikket er på markedet, bruger silicium, hvilket gør dem dyre at fremstille i forhold til mere traditionelle strømkilder.

Det er der en anden, relativt ny i videnskaben, materiale kommer ind - metalhalogenid perovskit. Når den ligger i midten af ​​en solcelle, denne krystallinske struktur omdanner også lys til elektricitet, men til en meget lavere pris end silicium. Desuden, perovskit-baserede solceller kan fremstilles ved hjælp af både stive og smidige substrater, så udover at være billigere, de kunne være mere lette og fleksible. Men, at have potentiale i den virkelige verden, disse prototyper skal øges i størrelse, effektivitet, og levetid.

Nu, i en ny undersøgelse, udgivet i Nano energi , forskere inden for enheden for energimaterialer og overfladevidenskab, ledet af professor Yabing Qi, ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har vist, at skabelse af et af de råmaterialer, der er nødvendige for perovskiter på en anden måde, kunne være nøglen til disse cellers succes.

"Der er et nødvendigt krystallinsk pulver i perovskitter kaldet FAPbI ₃ , som danner perovskittens absorberende lag, " forklarede en af ​​hovedforfatterne, Dr. Guoqing Tong, Postdoktor i enheden. "Tidligere dette lag blev fremstillet ved at kombinere to materialer - PbI2 og FAI. Den reaktion, der finder sted, producerer FAPbI3. Men denne metode er langt fra perfekt. Der er ofte rester af et eller begge af de originale materialer, som kan hæmme solcellens effektivitet."

For at komme uden om dette, forskerne syntetiserede det krystallinske pulver ved hjælp af en mere præcis pulverteknologisk metode. De brugte stadig et af råvarerne – PbI ₂ - men også inkluderet ekstra trin, som involverede, blandt andet opvarm blandingen til 90 grader Celsius og opløs forsigtigt og filtrer eventuelle rester fra. Dette sikrede, at det resulterende pulver var af høj kvalitet og strukturelt perfekt.

En anden fordel ved denne metode var, at perovskittens stabilitet steg over forskellige temperaturer. Da perovskittens absorberende lag blev dannet ud fra den oprindelige reaktion, den var stabil ved høje temperaturer. Imidlertid, ved stuetemperatur, den blev fra brun til gul, som ikke var ideel til at absorbere lys. Den syntetiserede version var brun selv ved stuetemperatur.

I fortiden, forskere har skabt en perovskit-baseret solcelle med mere end 25 procent effektivitet, hvilket kan sammenlignes med siliciumbaserede solceller. Men, at flytte disse nye solceller ud over laboratoriet, en opskalering i størrelse og langsigtet stabilitet er nødvendig.

"Solceller i laboratorieskala er små, " sagde Prof. Qi. "Størrelsen af ​​hver celle er kun omkring 0,1 cm ² . De fleste forskere fokuserer på disse, fordi de er nemmere at skabe. Men, med hensyn til applikationer, vi har brug for solcellemoduler, som er meget større. Solcellernes levetid er også noget, vi skal være opmærksomme på. Selvom der tidligere er opnået 25 procent effektivitet, levetiden var, højst, et par tusinde timer. Efter dette, cellens effektivitet begyndte at falde."

Ved at bruge det syntetiserede krystallinske perovskitpulver, Dr. Tong, sammen med Dr. Dae-Yong Son og de andre videnskabsmænd i Prof. Qi's enhed, opnået en konverteringseffektivitet på over 23 procent i deres solcelle, men levetiden var mere end 2000 timer. Da de skalerede op til solcellemoduler på 5x5cm2, de opnåede stadig over 14 procent effektivitet. Som et bevis på konceptet, de fremstillede en enhed, der brugte et perovskit-solmodul til at oplade et lithium-ion-batteri.

Disse resultater repræsenterer et afgørende skridt hen imod effektive og stabile perovskit-baserede solceller og moduler, der kunne, en dag, bruges uden for laboratoriet. "Vores næste skridt er at lave et solcellemodul, der er 15 x 15 cm ² og har en effektivitet på mere end 15 procent, " sagde Dr. Tong. "En dag håber jeg, at vi kan forsyne en bygning på OIST med vores solcellemoduler."