Installationer av solpaneler ökar i USA, med mer än 2 miljoner nya installationer i början av 2019, den mest registrerade någonsin under ett första kvartal, enligt en färsk rapport från Solar Energy Industries Association och Wood Mackenzie Power &Renewables.

För att möta de ständigt ökande kraven, billiga och effektivare alternativ till kiselbaserade solceller – för närvarande den mest använda tekniken – är önskvärda. Under det senaste decenniet, bly-halidperovskiter har ökat som den mest lovande klassen av alternativa material; dock, de är instabila. De innehåller bly, som är giftigt och utgör potentiella hälso- och miljörisker såsom förorening av grundvatten.

Ett team av ingenjörer vid Washington University i St. Louis har funnit vad de tror är en mer stabil, mindre giftig halvledare för solenergiapplikationer med en ny dubbel perovskitoxid som upptäckts genom dataanalys och kvantmekaniska beräkningar.

Deras arbete publicerades online den 11 juni Materialkemi .

Rohan Mishra, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid McKelvey School of Engineering, ledde ett tvärvetenskapligt, internationellt team som upptäckte den nya halvledaren, består av kalium, barium, tellur, vismut och syre (KBaTeBiO6). Den blyfria dubbelperovskitoxiden var en av de initiala 30, 000 potentiella vismutbaserade oxider. Av dessa 30, 000, endast cirka 25 var kända föreningar.

Genom att använda materialinformatik och kvantmekaniska beräkningar på en av de snabbaste superdatorerna i världen, Arashdeep Singh Thind, en doktorand i Mishras labb baserat på Oak Ridge National Laboratory, fann KBaTeBiO6 vara den mest lovande av de 30, 000 potentiella oxider.

"Vi fann att detta såg ut att vara den mest stabila föreningen och att den kunde syntetiseras i labbet, sade Mishra. Ännu viktigare, medan de flesta oxider tenderar att ha ett stort band, vi förutspådde att den nya föreningen skulle ha ett lägre bandgap, som ligger nära halogenidperovskiterna, och att ha någorlunda bra egenskaper."

Bandgapet är energibarriären som elektroner måste övervinna för att bilda fria bärare som, i samband med en solcell, kan extraheras för att driva en elektrisk enhet eller lagras i ett batteri för senare användning. Energin för att övervinna denna barriär tillhandahålls av solljus. De mest lovande föreningarna för solcellstillämpningar har ett bandgap på cirka 1,5 eV, eller elektronvolt, sa Mishra.

Mishra diskuterade möjligheten att syntetisera KBaTeBiO6 med Pratim Biswas, biträdande rektor, Lucy &Stanley Lopata professor och ordförande för institutionen för energi, Miljö- och kemiteknik. Shalinee Kavadiya, då doktorand i McKelvey Engineering och nu postdoktor vid Arizona State University, fick jobba på att finslipa receptet.

"Shalinee tillbringade ungefär sex månader med att syntetisera materialet, " Sa Mishra. "När hon väl kunde syntetisera det, som vi hade förutspått, den var stabil och hade ett bandgap på 1,88 eV, vilket vi också förutspådde."

Mishra sa att dessa är första generationens solceller som behöver mer finjustering av bandgapet, men det är ett bra första steg mot giftfria solceller.

"Detta visar att vi kan gå bort från dessa bly-halogenid perovskiter, ", sa Mishra. "Detta öppnar upp ett riktigt stort utrymme för att designa halvledare, inte bara för solcellstillämpningar utan även för andra halvledartillämpningar, såsom LCD-skärmar."

Nästa, Teamet kommer att studera vilken roll eventuella defekter har i denna nya halvledare och titta på mer avancerade syntestekniker, inklusive användning av aerosoltekniker.