Inom området för solcellsteknik, kiselbaserade solceller utgör 90 procent av marknaden. När det gäller kostnad, stabilitet och effektivitet (20-22 procent för en typisk solcell på marknaden), de ligger långt före konkurrenterna.

Dock, efter decennier av forskning och investeringar, kiselbaserade solceller är nu nära sin maximala teoretiska effektivitet. Som ett resultat, Det krävs nya koncept för att uppnå en långsiktig sänkning av priserna på solel och göra det möjligt för solcellsteknik att bli ett mer allmänt antaget sätt att generera energi.

En lösning är att placera två olika typer av solceller ovanpå varandra för att maximera omvandlingen av ljusstrålar till elektrisk kraft. Dessa "dubbelövergångsceller" forskas brett i det vetenskapliga samfundet, men är dyra att göra. Nu, forskarlag i Neuchâtel—från EPFL:s fotovoltaiklaboratorium och CSEM PV-center—har utvecklat en ekonomiskt konkurrenskraftig lösning. De har integrerat en perovskitcell direkt ovanpå en standard kiselbaserad cell, uppnå en rekordeffektiv effektivitet på 25,2 procent. Deras produktionsmetod är lovande, eftersom det bara skulle lägga till några extra steg till den nuvarande kiselcellproduktionsprocessen, och kostnaden skulle vara rimlig. Deras forskning har publicerats i Naturmaterial .

Perovskite-på-kisel:en nanometrisk smörgås

Perovskites unika egenskaper har föranlett en hel del forskning om dess användning i solceller under de senaste åren. Inom loppet av nio år, effektiviteten hos dessa celler har ökat med en faktor sex. Perovskite tillåter hög konverteringseffektivitet att uppnås till en potentiellt begränsad produktionskostnad.

I tandemceller, perovskite kompletterar kisel. Den omvandlar blått och grönt ljus mer effektivt, medan kisel är bättre på att omvandla rött och infrarött ljus. "Genom att kombinera de två materialen, vi kan maximera användningen av solspektrumet och öka mängden energi som genereras. De beräkningar och det arbete vi har gjort visar att 30 procents effektivitet snart borde vara möjlig, " säger studiens huvudförfattare Florent Sahli och Jérémie Werner.

Dock, att skapa en effektiv tandemstruktur genom att lägga över de två materialen är ingen lätt uppgift. "Silicons yta består av en serie pyramider som mäter cirka 5 mikron, som fångar ljus och förhindrar att det reflekteras. Dock, ytstrukturen gör det svårt att avsätta en homogen film av perovskit, " förklarar Quentin Jeangros, som var medförfattare till tidningen.

När perovskiten deponeras i flytande form, som det brukar vara, det ackumuleras i dalarna mellan pyramiderna samtidigt som topparna lämnas avslöjade, leder till kortslutningar.

Ett nyckellager som säkerställer en optimal mikrostruktur

Forskare vid EPFL och CSEM har kommit runt det problemet genom att använda förångningsmetoder för att bilda ett oorganiskt basskikt som helt täcker pyramiderna. Det lagret är poröst, vilket gör att den kan behålla den flytande organiska lösningen som sedan tillsätts med en tunnfilmsavsättningsteknik som kallas spin-coating. Forskarna värmer därefter upp substratet till en relativt låg temperatur på 150°C för att kristallisera en homogen film av perovskit ovanpå kiselpyramiderna.

"Tills nu, standardmetoden för att göra en tandemcell av perovskit/kisel var att jämna ut kiselcellens pyramid, vilket minskade dess optiska egenskaper och därmed dess prestanda, innan perovskitcellen deponeras ovanpå den. Det lade också till steg i tillverkningsprocessen, säger Florent Sahli.

Uppdatering av befintlig teknik

Den nya typen av tandemcell är mycket effektiv och direkt kompatibel med monokristallin kiselbaserad teknologi, som drar nytta av långvarig industriell expertis och som redan produceras lönsamt. "Vi föreslår att använda utrustning som redan används, lägger bara till några specifika steg. Tillverkare kommer inte att anta en helt ny solenergiteknik, utan att helt enkelt uppdatera produktionslinjerna de redan använder för kiselbaserade celler, " förklarar Christophe Ballif, chef för EPFL:s fotovoltaiklaboratorium och CSEM:s PV-center.

Just nu, forskning fortsätter för att öka effektiviteten ytterligare och ge perovskitfilmen mer långsiktig stabilitet. Även om laget har fått ett genombrott, det återstår fortfarande arbete innan deras teknologi kan tas i bruk kommersiellt.