Det finns mycket att tycka om perovskitbaserade solceller. De är enkla och billiga att producera, erbjuder flexibilitet som kan låsa upp ett brett nytt utbud av installationsmetoder och platser, och de senaste åren har nått energieffektivitet som närmar sig traditionella kiselbaserade celler.

Men att ta reda på hur man producerar perovskitbaserade energienheter som varar längre än ett par månader har varit en utmaning.

Nu forskare från Georgia Institute of Technology, University of California San Diego och Massachusetts Institute of Technology har rapporterat nya fynd om perovskit -solceller som kan leda till enheter som fungerar bättre.

"Perovskite solceller erbjuder många potentiella fördelar eftersom de är extremt lätta och kan tillverkas med flexibla plastunderlag, "sa Juan-Pablo Correa-Baena, en biträdande professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "För att kunna konkurrera på marknaden med kiselbaserade solceller, dock, de måste bli mer effektiva. "

I en studie som publicerades 8 februari i tidningen Vetenskap och sponsrades av U.S Department Energy och National Science Foundation, forskarna beskrev mer detaljerat mekanismerna för hur tillsats av alkalimetall till de traditionella perovskiterna leder till bättre prestanda.

"Perovskiter kan verkligen förändra spelet i solenergi, "sade David Fenning, professor i nanoengineering vid University of California San Diego. "De har potential att minska kostnaderna utan att ge upp prestanda. Men det finns fortfarande mycket att lära sig i grunden om dessa material."

För att förstå perovskitkristaller, det är bra att tänka på dess kristallina struktur som en triad. En del av triaden är typiskt formad av elementledningen. Den andra består vanligtvis av en organisk komponent som metylammonium, och den tredje består ofta av andra halogenider, såsom brom och jod.

Under de senaste åren har forskare har fokuserat på att testa olika recept för att uppnå bättre effektivitet, såsom tillsats av jod och brom till huvudkomponenten i strukturen. Senare, de försökte ersätta cesium och rubidium med den del av perovskiten som vanligtvis upptas av organiska molekyler.

"Vi visste från tidigare arbeten att tillsats av cesium och rubidium till en blandad brom och jod blyperovskit leder till bättre stabilitet och högre prestanda, "Sa Correa-Baena.

Men lite var känt om varför tillsats av dessa alkalimetaller förbättrade perovskiternas prestanda.

För att förstå varför det verkade fungera, forskarna använde högintensiv röntgenkartläggning för att undersöka perovskiterna på nanoskala.

"Genom att titta på kompositionen i perovskitmaterialet, vi kan se hur varje enskilt element spelar en roll för att förbättra enhetens prestanda, "sa Yanqi (Grace) Luo, en nanoingenjör Ph.D. student vid UC San Diego.

De upptäckte att när cesium och rubidium tillsattes den blandade brom- och jod -blyperovskiten, det gjorde att brom och jod blandades mer homogent, vilket resulterar i upp till 2 procent högre konverteringseffektivitet än materialen utan dessa tillsatser.

"Vi fann att enhetlighet i kemi och struktur är det som hjälper en perovskit solcell att arbeta med sin fulla potential, "Sade Fenning." Varje heterogenitet i ryggraden är som en svag länk i kedjan. "

Ändå, forskarna observerade också att medan tillsats av rubidium eller cesium fick brom och jod att bli mer homogena, halogenidmetallerna själva inom sin egen katjon förblev ganska klusterade, skapa inaktiva "döda zoner" i solcellen som inte producerar någon ström.

"Det här var förvånande, "Fenning sa." Att ha dessa döda zoner skulle vanligtvis döda en solcell. I andra material, de fungerar som svarta hål som suger in elektroner från andra regioner och aldrig släpper dem, så du tappar ström och spänning.

"Men i dessa perovskiter, vi såg att de döda zonerna runt rubidium och cesium inte var för skadliga för solcellens prestanda, även om det var en viss förlust för närvarande, "Fenning sa." Detta visar hur robust dessa material är men också att det finns ännu fler möjligheter till förbättringar. "

Resultaten ökar förståelsen för hur de perovskitbaserade enheterna fungerar i nanoskala och kan lägga grunden för framtida förbättringar.

"Dessa material lovar att vara mycket kostnadseffektiva och högpresterande, vilket är i stort sett vad vi behöver för att se till att fotovoltaiska paneler distribueras i stor utsträckning, "Sa Correa-Baena." Vi vill försöka kompensera frågor om klimatförändringar, så tanken är att ha solceller som är så billiga som möjligt. "