Ett forskargrupp från Brown University har tagit ett stort steg mot att förbättra perovskitesolcellernas långsiktiga tillförlitlighet, en framväxande teknik för ren energi. I en studie som ska publiceras på fredag, 7 maj i tidningen Vetenskap , laget demonstrerar ett "molekylärt lim" som hindrar ett nyckelgränssnitt inuti cellerna från att försämras. Behandlingen ökar dramatiskt cellernas stabilitet och tillförlitlighet över tid, samtidigt som de förbättrar effektiviteten med vilken de omvandlar solljus till elektricitet.

"Det har gått stora framsteg när det gäller att öka effektomvandlingseffektiviteten för perovskit-solceller, "sa Nitin Padture, professor i teknik vid Brown University och seniorförfattare till den nya forskningen. "Men det sista hindret som ska rensas innan tekniken kan vara allmänt tillgänglig är tillförlitlighet - att göra celler som bibehåller sin prestanda över tid. Det är en av de saker min forskargrupp har arbetat med, och vi rapporterar gärna några viktiga framsteg. "

Perovskiter är en materialklass med en särskild kristallin atomstruktur. För lite mer än ett decennium sedan, forskare visade att perovskiter är mycket bra på att absorbera ljus, som satte igång en översvämning av ny forskning om perovskit -solceller. Effektiviteten hos dessa celler har ökat snabbt och konkurrerar nu med traditionella kiselceller. Skillnaden är att perovskitljuddämpare kan göras vid nära rumstemperatur, medan kisel måste odlas från en smälta vid en temperatur som närmar sig 2, 700 grader Fahrenheit. Perovskitfilmer är också cirka 400 gånger tunnare än kiselskivor. Den relativa lättheten hos tillverkningsprocesserna och användningen av mindre material innebär att perovskitceller potentiellt kan tillverkas till en bråkdel av kostnaden för kiselceller.

Även om effektivitetsförbättringarna i perovskiter har varit anmärkningsvärda, Padture säger, att göra cellerna mer stabila och pålitliga har varit utmanande. En del av problemet har att göra med den skiktning som krävs för att göra en fungerande cell. Varje cell innehåller fem eller flera distinkta lager, var och en utför olika funktioner i elproduktionsprocessen. Eftersom dessa lager är gjorda av olika material, de reagerar olika på yttre krafter. Också, temperaturförändringar som uppstår under tillverkningsprocessen och under service kan orsaka att vissa lager expanderar eller drar ihop sig mer än andra. Det skapar mekaniska påfrestningar vid skiktgränssnitten som kan orsaka att lagren avkopplas. Om gränssnitten äventyras, cellens prestanda rasar.

Det svagaste av dessa gränssnitt är det mellan perovskitfilmen som används för att absorbera ljus och elektrontransportskiktet, som håller strömmen genom cellen.

"En kedja är bara lika stark som sin svagaste länk, och vi identifierade detta gränssnitt som den svagaste delen av hela stacken, där misslyckande är mest troligt, "sade Padture, som leder Institute for Molecular and Nanoscale Innovation på Brown. "Om vi ​​kan stärka det, då kan vi börja göra verkliga förbättringar av tillförlitligheten. "

Att göra det, Padture drog nytta av sin erfarenhet som materialvetare, utveckla avancerade keramiska beläggningar som används i flygmotorer och andra högpresterande applikationer. Han och hans kollegor började experimentera med föreningar som kallas självmonterade monoskikt eller SAM.

"Detta är en stor klass av föreningar, "Sade Padture." När du lägger dessa på en yta, molekylerna samlar sig i ett enda lager och reser sig som korta hårstrån. Genom att använda rätt formulering, du kan bilda starka bindningar mellan dessa föreningar och alla slags olika ytor. "

Padture och hans team fann att en formulering av SAM med kiselatom på ena sidan, och jodatom på den andra, kan bilda starka bindningar med både valstransportskiktet (som vanligtvis är tillverkat av tennoxid) och det perovskit ljusabsorberande skiktet. Teamet hoppades att bindningarna som bildas av dessa molekyler skulle kunna förstärka lagergränssnittet. Och de hade rätt.

"När vi introducerade SAMs för gränssnittet, vi fann att det ökar gränsytans seghet med cirka 50%, vilket betyder att alla sprickor som bildas vid gränssnittet tenderar att inte sprida sig särskilt långt, "Padture sa." Så i själva verket, SAM blir ett slags molekylärt lim som håller ihop de två lagren. "

Testning av solcellsfunktion visade att SAMs dramatiskt ökade perovskitcellernas funktionella liv. Icke-SAM-celler förberedda för studien behöll 80% av sin initiala effektivitet i cirka 700 timmars laboratorietester. Samtidigt var SAM -cellerna fortfarande starka efter 1, 330 timmars testning. Baserat på dessa experiment, forskarna räknar med att livslängden på 80%-behållen effektivitet ska vara cirka 4, 000 timmar.

"En av de andra sakerna vi gjorde, som folk normalt inte gör, är vi brutna upp cellerna efter testning, "sade Zhenghong Dai, en brun doktorand och första författare till forskningen. "I kontrollcellerna utan SAMs, vi såg alla typer av skador som tomrum och sprickor. Men med SAMs, de härdade gränssnitten såg riktigt bra ut. Det var en dramatisk förbättring som verkligen chockade oss. "

Viktigt, Padture sa, förbättringen i seghet kom inte på bekostnad av effektomvandlingseffektivitet. Faktiskt, SAMs förbättrade faktiskt cellens effektivitet med en liten mängd. Det inträffade eftersom SAMs eliminerade små molekylära defekter som bildas när de två lagren bindas i frånvaro av SAMs.

"Den första regeln för att förbättra den mekaniska integriteten hos funktionella enheter är 'gör ingen skada, "Sa Padture." Så att vi kunde förbättra tillförlitligheten utan att förlora effektivitet - och till och med förbättra effektiviteten - var en trevlig överraskning. "

SAMs själva är gjorda av lättillgängliga föreningar och appliceras enkelt med en doppbeläggningsprocess vid rumstemperatur. Så tillägget av SAM skulle potentiellt lägga lite till produktionskostnaden, Sade Padture.

Forskarna planerar att bygga vidare på denna framgång. Nu när de har förstärkt den svagaste länken i perovskits solcellstack, de skulle vilja gå vidare till nästa svagaste, sedan nästa och så tills de har förstärkt hela stacken. Det arbetet kommer att innebära att förstärka inte bara gränssnitten, men också själva materiallagren. Nyligen, Padtures forskargrupp vann ett bidrag på 1,5 miljoner dollar från US Department of Energy för att utöka sin forskning.

"Detta är den typ av forskning som krävs för att göra celler som är billiga, effektiv och prestera bra i decennier, Sa Padture.