Ett internationellt team av universitetsforskare rapporterar idag att de har löst en stor tillverkningsutmaning för perovskitceller – de spännande potentiella utmanarna till kiselbaserade solceller.

Dessa kristallina strukturer visar mycket lovande eftersom de kan absorbera nästan alla våglängder av ljus. Perovskite solceller kommersialiseras redan i liten skala, men de senaste stora förbättringarna av deras effektomvandlingseffektivitet (PCE) driver intresset för att använda dem som lågkostnadsalternativ för solpaneler.

I omslagsartikeln som publicerades online idag för den 28 juni, 2018 års nummer av Nanoskala , en publikation av Royal Society of Chemistry, forskargruppen avslöjar ett nytt skalbart sätt att applicera en kritisk komponent på perovskitceller för att lösa några stora tillverkningsutmaningar. Forskarna kunde applicera det kritiska elektrontransportskiktet (ETL) i perovskite solceller på ett nytt sätt - spraybeläggning - för att genomsyra ETL med överlägsen ledningsförmåga och ett starkt gränssnitt med sin granne, perovskitskiktet.

Forskningen leds av André D. Taylor, en docent vid NYU Tandon School of Engineerings avdelning för kemisk och biomolekylär teknik, med Yifan Zheng, den första författaren på tidningen och en forskare vid Peking -universitetet. Medförfattare är från University of Electronic Science and Technology i Kina, Yale universitet, och Johns Hopkins University.

De flesta solceller är "smörgåsar" av material skiktade på ett sådant sätt att när ljus träffar cellens yta, den exciterar elektroner i negativt laddat material och sätter upp en elektrisk ström genom att flytta elektronerna mot ett gitterverk av positivt laddade "hål". I perovskit solceller med en enkel plan orientering som kallas p-i-n (eller n-i-p när de är inverterade), perovskiten utgör det ljusfångande inneboende skiktet ("i" i p-i-n) mellan den negativt laddade ETL och ett positivt laddat håltransportskikt (HTL).

När de positivt och negativt laddade skikten separeras, arkitekturen beter sig som ett subatomärt spel av Pachinko där fotoner från en ljuskälla avlägsnar instabila elektroner från ETL, vilket får dem att falla mot den positiva HTL-sidan av smörgåsen. Perovskitskiktet påskyndar detta flöde. Medan perovskit utgör ett idealiskt inneboende lager på grund av dess starka affinitet både för hål och elektroner och dess snabba reaktionstid, Tillverkning i kommersiell skala har visat sig utmanande delvis eftersom det är svårt att effektivt applicera ett enhetligt ETL-skikt över den kristallina ytan av perovskiten.

Forskarna valde föreningen [6, 6]-fenyl-C(61)-smörsyrametylester (PCBM) på grund av sin meritlista som ett ETL-material och eftersom PCBM applicerat i ett grovt lager ger möjlighet till förbättrad konduktivitet, mindre genomtränglig gränssnittskontakt, och förbättrad ljusinställning. "Väldigt lite forskning har gjorts om ETL-alternativ för den plana p-i-n-designen, "sa Taylor." Den viktigaste utmaningen i plana celler är, hur sätter man ihop dem på ett sätt som inte förstör de intilliggande lagren?"

Den vanligaste metoden är spinngjutning, vilket innebär att cellen snurras och att centripetalkraften får sprida ETL-vätskan över perovskitsubstratet. Men denna teknik är begränsad till små ytor och resulterar i ett inkonsekvent skikt som sänker solcellens prestanda. Spinngjutning är också oförliknande med kommersiell produktion av stora solpaneler med metoder som roll-to-roll tillverkning, för vilken den flexibla p-i-n plana perovskitarkitekturen annars är väl lämpad.

Forskarna övergick istället till spraybeläggning, som applicerar ETL enhetligt över ett stort område och är lämpligt för tillverkning av stora solpaneler. De rapporterade en effektivitetsökning på 30 procent jämfört med andra ETL - från en PCE på 13 procent till över 17 procent - och färre defekter. "Vårt tillvägagångssätt är kortfattat, mycket reproducerbar, och skalbar. Det föreslår att sprutbeläggning av PCBM ETL kan ha ett stort överklagande för att förbättra perovskitesolcellernas effektivitet och ge en idealisk plattform för rekordbrytande p-i-n perovskitesolceller inom en snar framtid. "