Kilde: utoronto.ca
Et team af forskere fra University of Toronto's Faculty of Applied Science & Engineering har udnyttet kvantemekanikken til at optimere det aktive lag i en enhed kendt som en omvendt perovskit solcelle - en teknologi, der en dag kan resultere i massemarked solceller, som en brøkdel af dem, der i øjeblikket er på markedet.
På nuværende tidspunkt er stort set alle kommercielle solceller fremstillet af silicium med høj renhed, hvilket kræver betydelig energi at producere. Men forskere over hele verden eksperimenterer med alternative solteknologier, der kan fremstilles og installeres med mindre energi og til lavere omkostninger.
Et af disse alternativer, som undersøges iSargent Group-laboratoriet, er kendt som perovskit. Kraften i perovskitmaterialer kommer fra deres unikke krystalstruktur, som gør det muligt for dem at absorbere lys i et meget tyndt lag og omdanne det til elektricitet effektivt.
"Perovskitkrystaller er lavet af et flydende blæk og belagt på overflader ved hjælp af teknologi, der allerede er veletableret i industrien, såsom rulle-til-rulle-udskrivning," siger Hao Chen, en postdoktoral forsker i Sargents laboratorium og en af fire medforfattere afet nyt papir offentliggjort i Nature Photonics.
"På grund af dette har perovskitsolceller potentialet til at blive masseproduceret til meget lavere energiomkostninger end silicium. Udfordringen er, at perovskitsolceller lige nu halter efter traditionelle siliciumceller i stabilitet. I denne undersøgelse havde vi til formål at lukke det hul."
Chen bruger sammen med sine medforfattere - ph.d.-kandidat Sam Teale og postdoktorale forskere Bin Chen og Yi Hou - en strategi baseret på en omvendt solcellestruktur.
I de fleste prototype perovskitsolceller går elektroner ud gennem en negativ elektrode i det nederste lag af cellen, hvor de "huller", de efterlader, kommer ud gennem en positiv elektrode øverst.
At vende dette arrangement gør det muligt at anvende alternative fremstillingsteknikker, og tidligere forskning har vist, at disse kan forbedre stabiliteten af perovskitlaget. Men ændringen har en pris med hensyn til ydeevne.
"Det er svært at få god kontakt mellem perovskitlaget og den øverste elektrode," siger Chen. "For at løse dette indsætter forskere typisk et passiveringslag lavet af organiske molekyler. Det fungerer rigtig godt i den traditionelle retning, fordi 'huller' kan gå lige igennem dette passiveringslag. Men elektroner blokeres af dette lag, så når du inverterer cellen, bliver det et stort problem."
Holdet overvandt denne begrænsning ved at drage fordel af kvantemekanikken - det fysiske princip, der angiver materialers opførsel på meget små længdeskalaer, er forskellig fra det, der observeres ved større.
"I vores prototype solceller er perovskitterne begrænset til et ekstremt tyndt lag - kun en til tre krystaller i højden," siger Teale. "Denne todimensionelle form gør det muligt for os at få adgang til egenskaber forbundet med kvantemekanik. Vi kan for eksempel styre, hvilke bølgelængder af lys perovskitterne absorberer, eller hvordan elektroner bevæger sig inde i laget."
Holdet brugte først en kemisk teknik etableret af andre grupper til at producere en todimensionel perovskitoverflade oven på deres solcelle. Dette gjorde det muligt for perovskitlaget at opnå passivering alene, hvilket eliminerede behovet for det organiske lag helt.
For at overvinde elektronblokerende effekt øgede holdet tykkelsen af perovskitlaget fra en krystal i højden til tre. Computersimuleringer havde vist, at denne ændring ville ændre energilandskabet tilstrækkeligt til at gøre det muligt for elektroner at flygte ind i et eksternt kredsløb, en forudsigelse, der blev båret ud i laboratoriet.
Effektkonverteringseffektiviteten af holdets celler blev målt til 23,9 procent, et niveau, der ikke falmede efter 1.000 timers drift ved stuetemperatur. Selv når den blev udsat for en industristandard accelereret ældningsproces ved temperaturer op til 65 C, faldt ydeevnen kun med otte procent efter mere end 500 timers brug.
Det fremtidige arbejde vil fokusere på yderligere at øge cellernes stabilitet, også under endnu højere temperaturer. Holdet vil også gerne bygge celler med et større overfladeareal, da de nuværende celler kun er omkring fem kvadratmeter store.
Alligevel lover de nuværende resultater godt for fremtiden for denne alternative solteknologi.
»I vores artikel sammenligner vi vores prototyper med både traditionelle og omvendte perovskitsolceller, som for nylig er blevet offentliggjort i den videnskabelige litteratur,« siger Teale.
"Kombinationen af høj stabilitet og høj effektivitet, vi opnåede, skiller sig virkelig ud. Vi skal også huske på, at perovskitteknologi kun er et par årtier gammel, mens silicium er blevet arbejdet på i 70 år. Der er stadig mange forbedringer på vej."
