Solenergiforskare vid Oregon State University riktar sitt vetenskapliga strålkastarljus mot material med en kristallstruktur som upptäcktes för nästan två århundraden sedan.

Inte alla material med strukturen, känd som perovskites, är halvledare. Men perovskiter baserade på en metall och en halogen är, och de har en enorm potential som fotovoltaiska celler som kan vara mycket billigare att tillverka än de kiselbaserade cellerna som har ägt marknaden sedan starten på 1950-talet.

Tillräcklig potential, forskare säger, att kanske någon gång bryta avsevärt in i fossila bränslens andel av energisektorn.

John Labram från OSU College of Engineering är motsvarande författare på två nya artiklar om perovskitstabilitet, i Kommunikationsfysik och den Journal of Physical Chemistry Letters , och bidrog också till en tidning som publicerades idag i Vetenskap .

Studien i Vetenskap , ledd av forskare vid University of Oxford, avslöjade att en molekylär tillsats - ett salt baserat på den organiska föreningen piperidin - avsevärt förbättrar livslängden för perovskitsolceller.

Fynden som beskrivs i alla tre artiklar fördjupar förståelsen för en lovande halvledare som härrör från en upptäckt för länge sedan av en rysk mineralog. I Uralbergen 1839, Gustav Rose kom på en oxid av kalcium och titan med en spännande kristallstruktur och gav den namnet för att hedra den ryske adelsmannen Lev Perovski.

Perovskite hänvisar nu till en rad material som delar originalets kristallgitter. Intresset för dem började accelerera 2009 efter att en japansk vetenskapsman, Tsutomu Miyasaka, upptäckte att vissa perovskiter är effektiva absorbenter av ljus.

"På grund av deras låga kostnad, perovskit solceller har potential att underskrida fossila bränslen och revolutionera energimarknaden, " sa Labram. "En dåligt förstådd aspekt av denna nya klass av material, dock, är deras stabilitet under konstant belysning, en fråga som utgör ett hinder för kommersialisering."

Under de senaste två åren, Labrams forskargrupp vid skolan för elektroteknik och datavetenskap har byggt unika experimentella apparater för att studera förändringar i konduktans hos solmaterial över tid.

"Går ihop med University of Oxford, vi visade att ljusinducerad instabilitet inträffar under många timmar, även i avsaknad av elektrisk kontakt, " sade han. "Fynden hjälper till att klargöra liknande resultat som observerats i solceller och håller nyckeln till att förbättra stabiliteten och kommersiella livskraften för perovskitsolceller."

Solcellseffektivitet definieras av den procentuella andelen energi från solljus som träffar en cell som omvandlas till användbar elkraft.

För sju decennier sedan, Bell Labs utvecklade den första praktiska solcellen. Den hade en blygsam, med dagens mått mätt, effektivitet på 6 % och var dyrt att tillverka, men det hittade en nisch i att driva satelliterna som lanserades under rymdkapplöpningens begynnande dagar.

Över tid, tillverkningskostnaderna minskade och effektiviteten ökade, även om de flesta celler inte har förändrats särskilt mycket – de består fortfarande av två lager av nästan rent kisel dopat med en tillsats. absorberar ljus, de använder energin från den för att skapa en elektrisk ström över korsningen mellan dem.

Under 2012, en av Labrams medarbetare, Henry Snaith från Oxford, gjorde den banbrytande upptäckten att perovskiter kunde användas som huvudkomponenten i solceller, snarare än bara som en sensibilisator. Detta ledde till en storm av forskningsaktivitet och tusentals vetenskapliga artiklar publicerades varje år i ämnet. Åtta år av forskning senare, perovskitceller kan nu arbeta med 25 % effektivitet – vilket gör dem, åtminstone i labbet, i paritet med kommersiella kiselceller.

Perovskitceller kan tillverkas billigt av vanligt tillgängliga industrikemikalier och metaller och kan tryckas på flexibla filmer av plast och massproducerad. Kiselceller, omvänt, är styva och tillverkade av tunt skivade rån av nästan rent kisel i en dyr, högtemperaturprocess.

Ett problem med perovskiter är deras tendens att vara något instabil när temperaturen stiger, och en annan är en sårbarhet för fukt – en kombination som kan få cellerna att sönderfalla. Det är ett problem för en produkt som behöver hålla två eller tre decennier utomhus.

"I allmänhet, för att kunna sälja en solpanel i USA och Europa krävs 25 års garanti, ", sa Labram. "Vad det betyder i verkligheten är att solcellen ska visa inte mindre än 80% av sin ursprungliga prestanda efter 25 år. Den nuvarande tekniken, kisel, är ganska bra för det. Men kisel måste produceras dyrt vid temperaturer över 2, 000 grader Celsius under kontrollerade förhållanden, att forma perfekt, defektfria kristaller, så de fungerar som de ska. "

Perovskiter å andra sidan är mycket defekttoleranta, sa Labram.

"De kan lösas upp i ett lösningsmedel, skrivs sedan ut i nära rumstemperatur, "sa han." Det betyder att de så småningom kan produceras till en bråkdel av kostnaden för kisel, och därmed underskred fossila bränslen. Dock, för att detta ska hända, de måste vara certifieringsbara med 25 års garanti. Detta kräver att vi förstår och förbättrar stabiliteten hos dessa material."

En väg till marknadsplatsen är en tandemcell gjord av både kisel och perovskiter som kan förvandla mer av solljusets spektrum till energi. Laboratorietester på tandemceller har gett effektivitet på 28%, och effektiviseringar i mitten av 30-talet verkar realistiska, sa Labram.

"Tandemceller kan göra det möjligt för solpanelstillverkare att erbjuda en prestanda utöver allt kisel enbart kan uppnå, ", sa han. "Den dubbla metoden kan hjälpa till att ta bort hindret för perovskites att komma in på marknaden, på väg mot att perovskiter så småningom fungerar som fristående celler."

Halvtransparent, perovskitfilmer kan också en dag användas på fönster, eller i växthus, omvandla en del av det inkommande solljuset till elektricitet samtidigt som resten släpps igenom.

"När det gäller energiproduktion, kostnad är den viktigaste faktorn, ", sa Labram. "Kisel och perovskiter visar nu ungefär samma effektivitet. I längden, dock, perovskit solceller har potential att tillverkas till en bråkdel av kostnaden för kiselsolceller. Och medan historien har visat oss att politiska åtgärder mot klimatförändringar i stort sett är ineffektiva, om du kan generera el från förnybara källor till en lägre kostnad än fossila bränslen, allt du behöver göra är att göra produkten, sedan tar marknaden hand om resten."