Solenergi har länge ansetts vara det mest hållbara alternativet för att ersätta vårt beroende av fossila bränslen, men tekniker för att omvandla solenergi till el måste vara både effektiva och billiga.

Forskare från enheten för energimaterial och ytvetenskap vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) tror att de har hittat en vinnande formel i en ny metod för att tillverka lågkostnads ​​högeffektiva solceller. Prof. Yabing Qi och hans team från OIST i samarbete med Prof. Shengzhong Liu från Shaanxi Normal University, Kina, utvecklade cellerna med hjälp av material och föreningar som efterliknar den kristallina strukturen hos det naturligt förekommande mineralet perovskit. De beskriver sin teknik i en studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation .

I vad Prof. Qi refererar till som "den gyllene triangeln, "solcellsteknologier måste uppfylla tre villkor för att vara värda att kommersialisera:deras omvandlingshastighet av solljus till elektricitet måste vara hög, de måste vara billiga att tillverka, och de måste ha en lång livslängd. I dag, de flesta kommersiella solceller är gjorda av kristallint kisel, som har en relativt hög verkningsgrad på cirka 22 %. Även om kisel, råvaran för dessa solceller, är riklig, att bearbeta den tenderar att vara komplex och ökar tillverkningskostnaderna, gör den färdiga produkten dyr.

Perovskite erbjuder en mer prisvärd lösning, Prof. Qi säger. Perovskite användes första gången för att tillverka solceller 2009 av prof. Tsutomu Miyasakas forskargrupp vid Toin University of Yokohama, Japan, och sedan dess har det snabbt fått betydelse. "Forskning på perovskitceller är mycket lovande. På bara nio år, effektiviteten för dessa celler gick från 3,8 % till 23,3 %. Andra tekniker har tagit över 30 års forskning för att nå samma nivå, " förklarar Prof. Qi. Den tillverkningsmetod han och hans forskargrupp har utvecklat producerar perovskitsolceller med en effektivitet jämförbar med kristallina kiselceller, men det är potentiellt mycket billigare än att tillverka kiselsolceller.

För att göra de nya cellerna, forskarna belade transparenta ledande substrat med perovskitfilmer som absorberar solljus mycket effektivt. De använde en gas-fast reaktionsbaserad teknik där substratet först beläggs med ett lager av väte blytrijodid inkorporerat med en liten mängd klorjoner och metylamingas – vilket gör att de på ett reproducerbart sätt kan göra stora enhetliga paneler, var och en består av flera solceller.

Vid utvecklingen av metoden, forskarna insåg att att göra perovskitskiktet 1 mikron tjockt ökade solcellens livslängd avsevärt. "Solcellerna är nästan oförändrade efter att ha arbetat i 800 timmar, " säger Dr Zonghao Liu, en postdoktor vid Prof. Qis forskningsenhet vid OIST och den första författaren till studien. Dessutom, en tjockare beläggning ökade inte bara stabiliteten hos solcellerna utan underlättade också tillverkningsprocesserna, och därmed sänka produktionskostnaderna. "Det tjockare absorberande skiktet säkerställer god reproducerbarhet av solcellstillverkning, vilket är en viktig fördel för masstillverkning i realistisk industriell skala, " säger Dr Liu.

Den stora utmaningen som Prof. Qi och hans team nu står inför är att öka storleken på sin nydesignade solcell från prototypen på 0,1 mm2 till stora paneler i kommersiell storlek som kan vara flera fot långa. Det är här branschen kan hjälpa till. "Det finns ett stort gap mellan resultaten i labbet och verkligheten, och branschen är inte alltid redo att täcka hela denna lucka på egen hand. Så, forskarna måste ta ytterligare ett nödvändigt steg bortom sina labb och möta industrin halvvägs, " säger Prof. Qi.

För att ta det steget, Prof. Qi och team fick ett generöst anslag från OIST:s Technology Development and Innovation Center, under deras Proof-of-Concept-program. Med den finansieringen teamet har byggt en fungerande modell av sina nya perovskite solcellsmoduler bestående av flera solceller på 5cm × 5cm substrat, med en aktiv yta på 12 cm2 - mycket större än deras experimentella prototyp men mindre än vad som krävs för kommersiella ändamål. Även om processen med uppskalning har minskat effektiviteten hos cellerna från 20 % till 15 %, forskarna är optimistiska att de kommer att kunna förbättra sitt sätt att arbeta under de kommande åren och framgångsrikt kommersialisera användningen.