Kilde: sciencedaily
En forsker ved Georgia Tech har en perovskitbaseret solcelle, som er fleksibel og lettere end siliciumbaserede versioner.
Kredit: Rob Felt, Georgia Tech
Der er meget at lide om perovskite-baserede solceller. De er enkle og billige at producere, giver fleksibilitet, der kan låse op for en lang række forskellige installationsmetoder og steder, og de seneste år har nået energieffektivitet, der nærmer sig de traditionelle siliciumbaserede celler.
Men at finde ud af, hvordan man producerer perovskite-baserede energienheder, som varer længere end et par måneder, har været en udfordring.
Nu har forskere fra Georgia Institute of Technology, University of California San Diego og Massachusetts Institute of Technology rapporteret nye fund om perovskite solceller, der kunne føre vejen til enheder, der fungerer bedre.
"Perovskite solceller tilbyder mange potentielle fordele, fordi de er ekstremt lette og kan laves med fleksible plastsubstrater," siger Juan-Pablo Correa-Baena, en assisterende professor i Georgia Tech School of Materials Science og Engineering. "For at kunne konkurrere på markedet med siliciumbaserede solceller, skal de imidlertid være mere effektive."
I en undersøgelse, der blev offentliggjort den 8. februar i tidsskriftet Science og blev sponsoreret af US Department Energy og National Science Foundation, beskrev forskerne mere detaljeret mekanismerne for, hvordan man tilføjer alkalimetal til de traditionelle perovskites, bedre resultater.
"Perovskites kunne virkelig ændre spillet i solen," sagde David Fenning, professor i nanoengineering ved University of California San Diego. "De har potentiale til at reducere omkostningerne uden at opgive præstationer. Men der er stadig meget at lære grundlæggende om disse materialer."
For at forstå perovskit krystaller er det nyttigt at tænke på sin krystallinske struktur som en triade. En del af triaden er typisk dannet af elementledningen. Den anden består typisk af en organisk komponent, såsom methylammonium, og den tredje består ofte af andre halogenider, såsom brom og iod.
I de senere år har forskere fokuseret på at teste forskellige opskrifter for at opnå bedre effektivitet, såsom at tilføje jod og brom til ledelsens hovedkomponent. Senere forsøgte de at erstatte cæsium og rubidium til den del af perovskiet, der typisk var optaget af organiske molekyler.
"Vi vidste fra tidligere arbejde, at tilsætning af cæsium og rubidium til en blandet brom og jod bly perovskite fører til bedre stabilitet og højere ydeevne," Correa-Baena sagde.
Men der var ikke meget kendt, hvorfor man tilføjede disse alkalimetaller til perovskites præstationer.
For at forstå præcis, hvorfor det syntes at virke, brugte forskerne høj-intensitets-røntgenkortlægning til at undersøge perovskites på nanoskalaen.
"Ved at se på sammensætningen inden for perovskite-materialet kan vi se, hvordan hvert enkelt element spiller en rolle for at forbedre enhedens ydeevne," sagde Yanqi (Grace) Luo, en nanoengineering ph.d.-studerende ved UC San Diego.
De opdagede, at når cæsium og rubidium blev tilsat til blandet brom og jod bly perovskit, forårsagede brom og jod at blande mere homogent sammen, hvilket resulterede i op til 2 procent højere omdannelseseffektivitet end materialer uden disse additiver.
"Vi fandt, at ensartethed i kemi og struktur er, hvad der hjælper en perovskit solcelle operere på sit fulde potentiale," siger Fenning. "Enhver heterogenitet i rygraden er som et svagt led i kæden."
Ikke desto mindre observerede forskerne også, at mens tilsætningen af rubidium eller cæsium forårsagede, at brom og jod blev mere homogene, forblev halogenidmetallerne selv i deres egen kation relativt klynget og skabte inaktive "døde zoner" i solcellen, der ikke producerer strøm.
"Det var overraskende," sagde Fenning. "At have disse døde zoner ville typisk dræbe en solcelle. I andre materialer virker de som sorte huller, der suger i elektroner fra andre regioner og aldrig lader dem gå, så du mister strøm og spænding.
"Men i disse perovskites så vi, at de døde zoner omkring rubidium og cæsium ikke var for skadelige for solcellepræstationer, selv om der var noget tab," siger Fenning. "Dette viser, hvor robuste disse materialer er, men også at der er endnu flere muligheder for forbedring."
Resultaterne øger forståelsen for, hvordan de perovskite-baserede enheder arbejder på nanoskalaen og kan danne grundlag for fremtidige forbedringer.
"Disse materialer lover at være meget omkostningseffektive og højtydende, hvilket stort set er, hvad vi skal sikre, at fotovoltaiske paneler udbredes bredt," sagde Correa-Baena. "Vi vil forsøge at kompensere for klimaændringer, så ideen er at have fotovoltaiske celler, der er så billige som muligt."
