En enkel kaliumlösning kan öka effektiviteten hos nästa generations solceller, genom att de kan omvandla mer solljus till elektricitet.

Ett internationellt team av forskare ledda av University of Cambridge fann att tillsatsen av kaliumjodid "läkte" defekterna och immobiliserade jonrörelsen, som hittills har begränsat effektiviteten hos billiga perovskitsolceller. Dessa nästa generations solceller skulle kunna användas som ett effektivitetshöjande lager ovanpå befintliga kiselbaserade solceller, eller göras till fristående solceller eller färgade lysdioder. Resultaten rapporteras i journalen Natur .

Solcellerna i studien är baserade på metallhalogenidperovskiter - en lovande grupp av joniska halvledarmaterial som på bara några få år av utveckling nu konkurrerar med kommersiella tunnfilms -fotovoltaiska tekniker när det gäller deras effektivitet för att omvandla solljus till elektricitet. Perovskiter är billiga och lätta att tillverka vid låga temperaturer, vilket gör dem attraktiva för nästa generations solceller och belysning.

Trots potentialen för perovskiter, vissa begränsningar har hämmat deras effektivitet och konsekvens. Små defekter i den kristallina strukturen hos perovskiter, kallas fällor, kan få elektroner att "fastna" innan deras energi kan utnyttjas. Ju lättare elektroner kan röra sig i ett solcellsmaterial, desto effektivare blir materialet vid konvertering av fotoner, ljuspartiklar, till elektricitet. En annan fråga är att joner kan röra sig i solcellen när de är upplysta, vilket kan orsaka en förändring av bandgapet - färgen på ljus materialet absorberar.

"Än så länge, vi har inte kunnat göra dessa material stabila med det bandgap vi behöver, så vi har försökt immobilisera jonrörelsen genom att justera den kemiska sammansättningen av perovskitlagren, " sa Dr Sam Stranks från Cambridges Cavendish Laboratory, som ledde forskningen. "Detta skulle göra det möjligt för perovskiter att användas som mångsidiga solceller eller som färgade lysdioder, som i huvudsak är solceller som körs omvänt."

I studien, forskarna ändrade den kemiska sammansättningen av perovskitskikten genom att tillsätta kaliumjodid till perovskitbläck, som sedan självmonteras till tunna filmer. Tekniken är kompatibel med roll-to-roll processer, vilket betyder att den är skalbar och billig. Kaliumjodiden bildade ett "dekorativt" skikt ovanpå perovskiten som hade effekten att "läka" fällorna så att elektronerna kunde röra sig mer fritt, samt att immobilisera jonrörelsen, vilket gör materialet mer stabilt vid önskat bandgap.

Forskarna visade lovande prestanda med perovskitbandgap som är idealiska för skiktning ovanpå en kiselsolcell eller med ett annat perovskitskikt - så kallade tandemsolceller. Kisel tandem solceller är den mest troliga första utbredda tillämpningen av perovskiter. Genom att lägga till ett perovskitskikt, ljus kan skördas mer effektivt från ett större spektrum av solspektrumet.

"Kalium stabiliserar de perovskitband vi vill ha för tandemsolceller och gör dem mer självlysande, vilket innebär effektivare solceller, "sa Stranks, vars forskning finansieras av Europeiska unionen och Europeiska forskningsrådets Horizon 2020-program. "Det hanterar nästan helt joner och defekter i perovskiter."

"Vi har funnit att perovskiter är mycket toleranta mot tillsatser - du kan lägga till nya komponenter och de kommer att prestera bättre, " sa första författaren Mojtaba Abdi-Jalebi, en doktorand vid Cavendish Laboratory som finansieras av Nava Technology Limited. "Till skillnad från andra solcellstekniker, vi behöver inte lägga till ett extra lager för att förbättra prestandan, tillsatsen blandas helt enkelt med perovskitbläcket."

Perovskit- och kaliumanordningarna visade god stabilitet i tester, och var 21,5 % effektiva på att omvandla ljus till elektricitet, som liknar de bästa perovskitbaserade solcellerna och inte långt under den praktiska effektivitetsgränsen för kiselbaserade solceller, vilket är (29%). Tandemceller gjorda av två perovskitskikt med idealiska bandgap har en teoretisk effektivitetsgräns på 45 % och en praktisk gräns på 35 % - som båda är högre än de nuvarande praktiska effektivitetsgränserna för kisel. "Du får mer kraft för pengarna, sa Stranks.