Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Ett team av forskare från Storbritannien och Japan har funnit att de små defekterna som begränsar effektiviteten hos perovskiter - billigare alternativa material för solceller - också är ansvariga för strukturella förändringar i materialet som leder till nedbrytning.
Forskarna använde en kombination av tekniker för att efterlikna processen att åldras under solljus och observera förändringar i materialen på nanoskala, vilket hjälpte dem att få nya insikter i materialen, som också visar potential för optoelektroniska tillämpningar som energieffektiva lysdioder och röntgen. detektorer, men har begränsad livslängd.
Deras resultat, rapporterade i tidskriften Nature , skulle avsevärt kunna påskynda utvecklingen av långvariga, kommersiellt tillgängliga perovskit solceller.
Perovksites är rikligt och mycket billigare att bearbeta än kristallint kisel. De kan framställas i flytande bläck som helt enkelt trycks för att producera en tunn film av materialet.
Även om den totala energiproduktionen från perovskitsolceller ofta kan möta eller—i fallet med flerskiktiga "tandem"-enheter—överstiga vad som kan uppnås med traditionella kiselsolceller, är enheternas begränsade livslängd en viktig barriär för deras kommersiella livskraft.
En typisk solpanel av kisel, som de du kan se på taket av ett hus, håller vanligtvis cirka 20-25 år utan betydande prestandaförluster.
Eftersom perovskite-enheter är mycket billigare att tillverka behöver de kanske inte ha lika lång livslängd som deras kiselmotsvarigheter för att komma in på vissa marknader. Men för att uppfylla sin ultimata potential för att förverkliga utbredd avkolning, kommer celler att behöva fungera i minst ett decennium eller mer. Forskare och tillverkare har ännu inte utvecklat en perovskitenhet med liknande stabilitet som kiselceller.
Nu har forskare vid University of Cambridge och Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) i Japan upptäckt hemligheten med att behandla "akilleshäl" hos perovskiter.
Med hjälp av en verktygslåda med tekniker med hög rumslig upplösning, i samarbete med Diamond Light Source synkrotronanläggningen och elektronfysisk vetenskap imaging Center (ePSIC) i Didcot, och Institutionen för materialvetenskap och metallurgi i Cambridge, kunde teamet observera egenskaperna hos dessa tunna filmer i nanoskala och hur de förändras över tiden under solbelysning.
Tidigare arbete av teamet som använder liknande tekniker har belyst de defekter som orsakar brister i prestandan hos perovskite solceller – så kallade bärarfällor.
"När vi belyser perovskitfilmerna över tid, simulerar åldrandet av solcellsenheter, finner vi att den mest intressanta dynamiken inträffar vid dessa nanoskopiska fällakluster", säger medförfattaren Dr. Stuart Macpherson från Cambridges Cavendish Laboratory.
"Vi vet nu att de förändringar vi ser är relaterade till fotonedbrytning av filmerna. Som ett resultat kan effektivitetsbegränsande bärarfällor nu kopplas direkt till den lika avgörande frågan om solcellers livslängd."
"Det är ganska spännande", säger medförfattaren Dr. Tiarnan Doherty, från Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik, och Murray Edwards College, "eftersom det tyder på att om du kan ta itu med bildandet av dessa ytfällor, så kommer du samtidigt att förbättras. prestanda och enheternas stabilitet över tid."
Genom att justera den kemiska sammansättningen och hur perovskitfilmen bildas, i förberedelserna av enheterna, har forskarna visat att det är möjligt att kontrollera hur många av dessa skadliga faser som bildas och i förlängningen hur länge enheten kommer att hålla.
"De mest stabila enheterna verkar serendipitalt sänka tätheten av skadliga faser genom subtila sammansättnings- och strukturella modifieringar", säger Doherty. "Vi hoppas att det här dokumentet avslöjar ett mer rationellt, målinriktat tillvägagångssätt för att göra detta och uppnå de högst presterande enheterna som fungerar med maximal stabilitet."
Gruppen är optimistisk att deras senaste rön kommer att föra oss ännu närmare de första kommersiellt tillgängliga perovskite solcellsenheterna.
"Perovskite solceller är på väg att kommersialiseras, med de första produktionslinjerna som redan producerar moduler", säger Dr. Sam Stranks från Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik, som ledde forskningen.
"Vi förstår nu att alla återstående oönskade faser - även små nanoskaliga fickor som återstår från bearbetningen av cellerna - kommer att vara dåliga nyheter för perovskitsolcellers livslängd. Tillverkningsprocesserna måste därför inkludera noggrann justering av strukturen och sammansättningen över ett stort område to eliminate any trace of these unwanted phases—even more careful control than is widely thought for these materials. This is a great example of fundamental science directly guiding scaled manufacturing."
"It has been very satisfying to see the approaches that we've developed at OIST and Cambridge over the past several years provide direct visuals of these tiny residual unwanted phases, and how they change over time," said co-author Dr. Keshav Dani of OIST's Femtosecond Spectroscopy Unit. "The hope remains that these techniques will continue to reveal the performance limiting aspects of photovoltaic devices, as we work towards studying operational devices."
"Another strength of perovskite devices is that they can be made in countries where there's no existing infrastructure for processing monocrystalline silicon," said Macpherson. "Silicon solar cells are cheap in the long term but require a substantial initial capital outlay to begin processing. But for perovskites, because they can be solution processed and printed so easily, using far less material, you remove that initial cost. They offer a viable option for low- and middle-income countries looking to transition to solar energy." + Utforska vidare
