Kilde: news.northwestern.edu
Resultaterne, offentliggjort i dag (17. november) i tidsskriftet Science, beskriver en løsning med to molekyler til at overvinde tab i effektivitet, når sollys omdannes til energi. Ved først at inkorporere et molekyle for at adressere noget kaldet overfladerekombination, hvor elektroner går tabt, når de fanges af defekter - manglende atomer på overfladen, og et andet molekyle for at forstyrre rekombinationen ved grænsefladen mellem lagene, opnåede holdet en National Renewable Energy Lab (NREL) certificeret effektivitet på 25,1 %, hvor tidligere tilgange nåede effektivitetsgevinster på kun 24,09 %.
"Perovskite-solteknologien bevæger sig hurtigt, og vægten af forskning og udvikling skifter fra bulk-absorberen til grænsefladerne," sagde professor i Northwestern, Ted Sargent. "Dette er det kritiske punkt for yderligere at forbedre effektiviteten og stabiliteten og bringe os tættere på denne lovende vej til stadig mere effektiv solfangst."
Sargent er co-executive director for Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy (tidligere ISEN) og en multidisciplinær forsker i materialekemi og energisystemer, med ansættelser i afdelingen for kemi i Weinberg College of Arts and Sciences og afdeling for elektro- og computerteknik i McCormick School of Engineering.
Konventionelle solceller er lavet af siliciumwafers med høj renhed, som er energikrævende at producere og kun kan absorbere et fast område af solspektret.
Perovskite-materialer, hvis størrelse og sammensætning kan justeres for at "tune" bølgelængderne af lys, de absorberer, hvilket gør dem til en gunstig og potentielt billigere, højeffektiv fremspirende tandemteknologi.
Historisk har perovskit-solceller været plaget af udfordringer med at forbedre effektiviteten på grund af deres relative ustabilitet. I løbet af de sidste par år har fremskridt fra Sargents laboratorium og andre bragt effektiviteten af perovskit-solceller til inden for samme område, som hvad der er opnåeligt med silicium.
I den nuværende forskning, i stedet for at forsøge at hjælpe cellen med at absorbere mere sollys, fokuserede holdet på spørgsmålet om at opretholde og fastholde genererede elektroner for at øge effektiviteten. Når perovskitlaget kommer i kontakt med cellens elektrontransportlag, bevæger elektroner sig fra den ene til den anden. Men elektronen kan bevæge sig tilbage udad og fylde eller "rekombinere" med huller, der findes på perovskitlaget.
"Rekombination ved grænsefladen er kompleks," sagde førsteforfatter Cheng Liu, en postdoc-studerende i Sargent-laboratoriet, som er co-superviseret af Charles E. og Emma H. Morrison professor i kemi Mercouri Kanatzidis. "Det er meget svært at bruge én type molekyle til at adressere kompleks rekombination og fastholde elektroner, så vi overvejede, hvilken kombination af molekyler vi kunne bruge til at løse problemet mere omfattende."
Tidligere forskning fra Sargents team har fundet bevis for, at et molekyle, PDAI2, gør et godt stykke arbejde med at løse grænsefladerekombination. Dernæst skulle de finde et molekyle, der ville arbejde på at reparere overfladedefekter og forhindre elektroner i at rekombinere med dem.
Ved at finde den mekanisme, der ville tillade PDAI2 at arbejde med et sekundært molekyle, indsnævrede holdet på svovl, som kunne erstatte kulstofgrupper - typisk dårlige til at forhindre elektroner i at bevæge sig - for at dække manglende atomer og undertrykke rekombination.
"Ved at løse de centrale ineffektiviteter, der findes i inverterede perovskit-solceller, som hovedsageligt skyldes ikke-strålende rekombinationstab, er der ved at blive sat en ny standard for solcelleeffektivitet," sagde professor i Northwestern Mercouri Kanatzidis. "Dette er en glimrende illustration af, hvordan området for avanceret materialekemi betydeligt kan forbedre energikonverteringseffektiviteten og levetiden for nye perovskit-fotovoltaiske teknologier."
Kanatzidis er en førende autoritet inden for materialekemi og bæredygtige energiløsninger, med dobbelte ansættelser i Weinbergs afdeling for kemi og McCormicks afdeling for materialevidenskab og teknik.
"Vi er glade for, at vores bimolekylære strategi viser anvendelighed til en række perovskitsammensætninger, inklusive dem, der er lovende for tandemsolceller," sagde Bin Chen, forskningsassistent professor i kemi og medforfatter på papiret.
Et nyligt papir fra samme gruppe offentliggjort i Nature udviklede en belægning til substratet under perovskitlaget for at hjælpe cellen med at arbejde ved en højere temperatur i en længere periode. Denne løsning kan ifølge Liu fungere sammen med resultaterne i Science-papiret.
Mens holdet håber, at deres resultater vil tilskynde det større videnskabelige samfund til at fortsætte arbejdet fremad, vil de også arbejde på opfølgninger.
"Vi er nødt til at bruge en mere fleksibel strategi til at løse det komplekse grænsefladeproblem," sagde Cheng. "Vi kan ikke kun bruge én slags molekyle, som folk tidligere gjorde. Vi bruger to molekyler til at løse to slags rekombination, men vi er sikre på, at der er flere slags defektrelateret rekombination ved grænsefladen. Vi skal prøve at bruge flere molekyler for at komme sammen og sørge for, at alle molekyler arbejder sammen uden at ødelægge hinandens funktioner."
