University of Toronto Engineering forskare har kombinerat två framväxande teknologier för nästa generations solenergi - och upptäckt att var och en hjälper till att stabilisera den andra. Det resulterande hybridmaterialet är ett stort steg mot att sänka kostnaden för solenergi och samtidigt multiplicera hur det kan användas.

Idag är praktiskt taget alla solceller gjorda av högrent kisel. Det är en väletablerad teknik, och under de senaste åren har tillverkningskostnaderna sjunkit avsevärt på grund av stordriftsfördelar. Ändå, kisel har en övre gräns för dess effektivitet. Ett team som leds av professor Ted Sargent eftersträvar kompletterande material som kan förbättra kiselets solskördspotential genom att absorbera våglängder av ljus som kisel inte gör.

"Två av de teknologier vi använder i vårt labb är perovskitkristaller och kvantprickar, ", säger Sargent. "Båda dessa är mottagliga för lösningsbearbetning. Föreställ dig ett "solar bläck" som skulle kunna tryckas på flexibel plast för att skapa låg kostnad, böjbara solceller. Vi kan också kombinera dem framför, eller bakom, kiselsolceller för att ytterligare förbättra deras effektivitet."

En av de viktigaste utmaningarna för både perovskiter och kvantprickar är stabilitet. Vid rumstemperatur, vissa typer av perovskiter upplever en justering i sin 3D-kristallstruktur som gör dem transparenta – de absorberar inte längre solstrålning helt.

För deras del, kvantprickar måste täckas av ett tunt lager som kallas passiveringslager. Detta lager - bara en enda molekyl tjock - förhindrar att kvantprickarna fastnar vid varandra. Men temperaturer över 100 C kan förstöra passiveringsskiktet, får kvantprickarna att aggregera eller klumpa ihop sig, förstör deras förmåga att skörda ljus.

I en tidning som publicerades idag i Natur , ett team av forskare från Sargents labb rapporterar ett sätt att kombinera perovskiter och kvantprickar som stabiliserar båda.

"Innan vi gjorde det här, människor försökte vanligtvis ta itu med de två utmaningarna separat, " säger Mengxia Liu, tidningens huvudförfattare.

"Forskning har visat den framgångsrika tillväxten av hybridstrukturer som inkorporerade både perovskiter och kvantprickar, säger Liu, som nu är postdoktor vid Cambridge University. "Detta inspirerade oss att överväga möjligheten att de två materialen kan stabilisera varandra om de delar samma kristallstruktur."

Liu och teamet byggde två typer av hybridmaterial. Den ena var främst kvantprickar med cirka 15 volymprocent perovskiter, och är designad för att förvandla ljus till elektricitet. Den andra var i första hand perovskiter med mindre än 15 volymprocent kvantprickar, och är bättre lämpad för att förvandla elektricitet till ljus, till exempel, som en del av en lysdiod (LED).

Teamet kunde visa att det perovskitrika materialet förblev stabilt under omgivande förhållanden (25 C och 30 % luftfuktighet) i sex månader, cirka tio gånger längre än material som består av enbart samma perovskit. När det gäller quantum dot-materialet, vid uppvärmning till 100 C, aggregeringen av nanopartiklarna var fem gånger lägre än om de inte hade stabiliserats med perovskiter.

"Det bevisade vår hypotes anmärkningsvärt väl, " säger Liu. "Det var ett imponerande resultat över våra förväntningar."

Det nya papperet ger proof-of-concept för idén att dessa typer av hybridmaterial kan förbättra stabiliteten. I framtiden, Liu hoppas att solcellstillverkarna ska ta hennes idéer och förbättra dem ytterligare för att skapa lösningsbearbetade solceller som uppfyller alla samma kriterier som traditionellt kisel.

"Industriforskare kunde experimentera genom att använda olika kemiska element för att bilda perovskiter eller kvantprickar, " säger Liu. "Vad vi har visat är att detta är en lovande strategi för att förbättra stabiliteten i den här typen av strukturer."

"Perovskites har visat en enorm potential som solmaterial, men grundläggande lösningar behövs för att förvandla dem till stabila och robusta material som kan möta de krävande kraven i sektorn för förnybar energi." säger Jeffrey C. Grossman, Morton och Claire Goulder och familjeprofessor i miljösystem och professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Massachusetts Institute of Technology, som inte var inblandad i studien. "Toronto-studien visar en spännande ny väg för att främja förståelsen, och prestationen, av stabila perovskitkristallfaser."

Liu tillskriver upptäckten delvis den samarbetsmiljön i teamet, som omfattade forskare från många discipliner, inklusive kemi, fysik och hennes eget område av materialvetenskap.

"Perovskite och kvantprickar har distinkta fysiska strukturer, och likheterna mellan dessa material har vanligtvis förbisetts, " she says. "This discovery shows what can happen when we combine ideas from different fields."