Forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL), arbetar i samarbete med sina motsvarigheter i Republiken Korea, har validerat potentialen i att använda en kombination av perovskit och kisel för att skapa solceller som är mer än 30 % effektiva.

Deras första solcell uppnådde en certifierad verkningsgrad på 26,2 %.

"Denna studie ger ett nytt allmänt tillvägagångssätt med tydliga tekniska genombrott och vetenskapliga insikter för ytterligare utveckling av perovskitteknologier, sa Kai Zhu, en motsvarande författare till en nypublicerad artikel i tidskriften Vetenskap som beskriver arbetet. Zhu är senior forskare vid kemi- och nanovetenskapscentret vid NREL.

Av sig själv, perovskitkomponenten hade en effektivitet på 20,7 %, den högsta rapporterade i litteraturen för perovskiter med breda bandgap.

Forskarna noterade också att accelererade tester visade att perovskitcellen uppvisade "utmärkt långsiktig stabilitet" genom att behålla mer än 80 procent av sin initiala effektivitet efter 1, 000 timmars kontinuerlig belysning.

Termen perovskit hänvisar till en kristallin struktur. Perovskite solceller är gjorda genom en kombination av element och har dykt upp som den snabbast framskridande soltekniken.

Forskningen visas i en nyligen publicerad artikel i tidskriften Vetenskap , "Effektiv, stabila tandemceller av kisel som möjliggörs av anjonkonstruerade perovskiter med breda bandgap." Förutom Zhu, tidningen var medförfattare av Bryon Larson, Sean Dunfield, Chuanxiao Xiao, Jinhui Tong, Fei Zhang, och Joseph Berry, alla från NREL; och en grupp forskare under ledning av Byungha Shin (Korea Advanced Institute of Science and Technology), Dong Hoe Kim (Sejong University), och Jin Young Kim (Seoul National University), från Republiken Korea.

Zhu, Dong Hoe Kim, och Shin skapade forskningsprojektet, som delvis finansierades av Department of Energy's Solar Energy Technologies Office. Forskarna sa att tandemsolcellen kan överträffa 30 % effektivitet när ytterligare arbete görs för att perfekta kiselskiktet.

Tandemsolenheten är gjord av en övre perovskitcell och en nedre kiselcell. Både toppen och botten tar in separata segment av solspektrumet genom ett bandgap. Ju bredare bandgapet är för den översta perovskitcellen, desto mer solljus kan den nedre silikonenheten absorbera. Bandgapet för kisel är fixerat till 1,1 elektronvolt (eV), men bandgapet för perovskiter kan justeras kemiskt, eller "inställd". Idealet är cirka 1,7 eV, men för att åstadkomma det krävs att jod ersätts med brom. För mycket brom, dock, kan göra perovskiten instabil.

Forskare inom området har undersökt användningen av den så kallade tvådimensionella (2-D) fasen, i vilka ark av blyhalogenid-oktaedrar separerade av långkedjiga molekyler läggs till perovskiten för användning som passiveringsmedel för att minska kemisk reaktivitet. Användningen av passiveringsskikt har visat sig vara effektiv för att förbättra stabiliteten och prestandan hos perovskiter.

Vid konstruktion av passiveringsskiktet, forskarna vid NREL och deras kollegor utomlands fokuserade på att konstruera de negativt laddade jonerna – kallade anjoner – av 2D-tillsatserna, istället för de positivt laddade jonerna (katjonerna) har andra fokuserat på. Genom att introducera tiocyanat och blanda det med jod, forskarna kunde förbättra strukturen och optoelektroniska egenskaperna hos den breda bandgap (1,68 eV) perovskiten och enhetens prestanda. Användningen av tiocyanat gjorde det möjligt för forskarna att öka enhetens strömtäthet, medan jodet förbättrade spänningen.

Arbeta med kollegor vid University of Toronto, Xiao och Zhu utvecklade en tandem av perovskit-kisel med certifierad effektivitet på 25,7 % och en försumbar prestandaminskning efter 400 timmar. Fynden rapporterades tidigare denna månad i Vetenskap .

Parallell forskning vid NREL fokuserade på en mycket stabil perovskit-kisel-tandem. Rapporterades även tidigare denna månad i Vetenskap , enheten tillverkades med en kombination av jod, brom, och klor. Den certifierade effektiviteten för den stabila tandemanordningen var 25,8 %.