De helt oorganiska perovskitsolcellerna är byggda i flera lager. Bottenlagret är glas, som är flera millimeter tjock. Det andra lagret är ett transparent ledande material som kallas FTO. Sedan kommer ett elektronkänsligt lager tillverkat av titanoxid. Det fjärde lagret är den fotoaktiva perovskiten. Till sist, det översta lagret är kol. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Nya helt oorganiska perovskitsolceller tacklar tre viktiga utmaningar inom solcellsteknik:effektivitet, stabilitet, och kostnad.
utnyttja energi från solen, som avger oerhört kraftfull energi från solsystemets centrum, är ett av huvudmålen för att uppnå en hållbar energiförsörjning.
Ljusenergi kan omvandlas direkt till el med hjälp av elektriska apparater som kallas solceller. Hittills, de flesta solceller är gjorda av kisel, ett material som är väldigt bra på att absorbera ljus. Men silikonpaneler är dyra att tillverka.
Forskare har arbetat med ett alternativ, gjorda av perovskitstrukturer. Sann perovskite, ett mineral som finns i jorden, består av kalcium, titan och syre i ett specifikt molekylärt arrangemang. Material med samma kristallstruktur kallas perovskitstrukturer.
Perovskitstrukturer fungerar bra som det ljusskördande aktiva skiktet i en solcell eftersom de absorberar ljus effektivt men är mycket billigare än kisel. De kan också integreras i enheter med relativt enkel utrustning. Till exempel, de kan lösas i lösningsmedel och sprayas direkt på substratet.
Perovskite solceller har ännu inte producerats i kommersiell skala. För närvarande, OIST Energy Materials and Surface Sciences Units nya perovskitsolceller är tillräckligt små för att Dr. Liu ska kunna hålla dem i sin handflata. Upphovsman:Okinawa Institute of Science and Technology
Material tillverkade av perovskitstrukturer kan potentiellt revolutionera solcellsenheter, men de har en allvarlig nackdel:de är ofta mycket instabila, försämras vid exponering för värme. Detta har hindrat deras kommersiella potential.
Enheten för energimaterial och ytvetenskap vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), leds av Prof. Yabing Qi, har utvecklat enheter som använder ett nytt perovskitmaterial som är stabilt, effektiv och relativt billig att tillverka, banar väg för deras användning i morgondagens solceller. Deras arbete publicerades nyligen i Avancerade energimaterial . Postdoktorer Dr Jia Liang och Dr Zonghao Liu gjorde stora bidrag till detta arbete.
Detta material har flera nyckelfunktioner. Först, det är helt oorganiskt – ett viktigt skifte, eftersom organiska komponenter vanligtvis inte är termostabila och bryts ned under värme. Eftersom solceller kan bli väldigt varma i solen, värmestabilitet är avgörande. Genom att ersätta de organiska delarna med oorganiska material, forskarna gjorde perovskitsolcellerna mycket mer stabila.
"Solcellerna är nästan oförändrade efter exponering för ljus i 300 timmar, "säger Dr Zonghao Liu, en författare på tidningen.
Dr Longbin Qiu (vänster) och Dr Zonghao Liu (höger), både postdoktorala forskare från enheten Energy Materials and Surface Sciences, hålla solceller gjorda av deras nya perovskitmaterial. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Hela oorganiska perovskitsolceller tenderar att ha lägre ljusabsorption än organiska-oorganiska hybrider, dock. Det är här den andra funktionen kommer in:OIST-forskarna dopade sina nya celler med mangan för att förbättra deras prestanda. Mangan förändrar materialets kristallstruktur, öka sin lätta skördkapacitet.
"Precis som när du tillsätter salt till en maträtt för att ändra dess smak, när vi lägger till mangan, det förändrar solcellens egenskaper, säger Liu.
För det tredje, i dessa solceller, elektroderna som transporterar ström mellan solcellerna och yttre ledningar är gjorda av kol, snarare än av det vanliga guldet. Sådana elektroder är betydligt billigare och lättare att tillverka, dels för att de kan skrivas ut direkt på solcellerna. Tillverkning av guldelektroder, å andra sidan, kräver höga temperaturer och specialutrustning som en vakuumkammare.
Elektronmikroskopibild av perovskitsolceller, visar de olika lagren. Kredit:Okinawa Institute of Science and Technology
Det finns fortfarande ett antal utmaningar att övervinna innan perovskitsolceller blir lika kommersiellt gångbara som kiselsolceller. Till exempel, medan perovskitsolceller kan hålla i ett eller två år, kiselsolceller kan fungera i 20 år.
Qi och hans kollegor fortsätter att arbeta med dessa nya cellers effektivitet och hållbarhet, och utvecklar också processen att tillverka dem i kommersiell skala. Med tanke på hur snabbt tekniken har utvecklats sedan den första perovskitsolcellen rapporterades 2009, framtiden för dessa nya celler ser ljus ut.
