Forskare vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) har löst en grundläggande svaghet i en lovande solteknik som kallas Perovskite Solar Cells, eller PSC. Deras innovationer verkar förbättra både enheternas stabilitet och skalbarhet i ett slag och kan vara nyckeln till att flytta PSC till marknaden.

Tredje generationens solceller omvandlar effektivt solljus till användbar el och kostar mindre energi att tillverka än gamla kiselceller. PSC, särskilt, har uppmärksammats av vetenskap och industri tack vare deras låga kostnad och höga effektivitet. Även om deras prestanda är lovande i laboratorietester, enheterna lider fortfarande av låg stabilitet och kan inte tillverkas kommersiellt förrän de är byggda för att hålla.

"Vi behöver solcellsmoduler som kan hålla i minst 5 till 10 år. För närvarande, PSC:s livslängd är mycket kortare, "sa Dr. Longbin Qiu, första författare till uppsatsen och en postdoktor vid OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit, ledd av prof. Yabing Qi.

Studien, publicerad online i Avancerade funktionella material den 13 december, 2018, stöder tidigare bevis på att ett vanligt använt material i PSC, kallad titandioxid, försämrar enheterna och begränsar deras livslängd. Forskarna ersatte detta material med tennioxid, en starkare ledare utan dessa nedbrytande egenskaper. De optimerade sin metod för att applicera tennioxid för att producera stabil, effektiva och skalbara PSC:er.

I experiment, forskarna fann att tenndioxidbaserade enheter visade livstider mer än tre gånger längre än PSC-enheter som använder titandioxid. "Tenndioxid kan ge användarna den prestanda de behöver, sa Qiu.

En förbättrad design

PSC består av skiktade material, var och en med en specifik funktion. Det "aktiva skiktet, "tillverkad av perovskitmaterial, absorberar inkommande solljus i form av partiklar som kallas fotoner. När en foton träffar en solcell, det genererar negativt laddade elektroner och positivt laddade hål i det aktiva lagret. Forskare kontrollerar flödet av dessa elektroner och hål genom att lägga det aktiva skiktet mellan två "transportmaterial, "vilket skapar ett inbyggt elektriskt fält.

För att hjälpa elektroner i rätt riktning, många PSC innehåller ett "elektrontransportskikt". De flesta PSC använder titandioxid som sitt elektrontransportskikt, men när den utsätts för solljus, materialet reagerar med perovskit och försämrar slutligen enheten. Tenndioxid står som en livskraftig ersättning för titandioxid, men innan denna studie, den hade inte framgångsrikt införlivats i en storskalig enhet.

Med hjälp av en vanlig teknik i branschen som kallas sputtering deposition, forskarna lärde sig hur man skapar ett effektivt elektrontransportskikt från tennioxid. Sputtring av avsättningar fungerar genom att bombardera målmaterialet, här tennioxid, med laddade partiklar, så att den sprutar uppåt på en väntyta. Genom att exakt kontrollera kraften hos förstoftningen och avsättningens hastighet, forskarna producerade släta lager med en jämn tjocklek över ett stort område.

Deras nya solceller uppnådde en effektivitet på över 20 procent. För att demonstrera den här metodens skalbarhet, forskarna tillverkade sedan 5 x 5 centimeter solcellsmoduler med ett avsett område på 22,8 kvadratcentimeter, fann att de resulterande enheterna visade över 12 procent effektivitet. Denna forskning, som stöddes av OIST Technology Development and Innovation Centers Proof-of-Concept-program, utgör ett avgörande steg framåt för att möta den nuvarande industristandarden för PSC -effektivitet.

Flytta till marknaden

Forskarna planerar att fortsätta optimera sin PSC-design med målet att producera storskaliga solcellsmoduler med förbättrad effektivitet. Forskningsenheten experimenterar med flexibla, transparenta solapparater och syftar till att tillämpa sin optimerade PSC -design i solfönster, gardiner, ryggsäckar och laddbara enheter.

"Vi vill skala upp dessa enheter till en stor storlek, och även om deras effektivitet redan är rimlig, vi vill driva det vidare, "sade prof. Qi." Vi är optimistiska att de närmaste åren, denna teknik kommer att vara livskraftig för kommersialisering. "