Solceller tillverkade av perovskit rymmer mycket löfte för framtiden för solenergi. Materialet är billigt, lätt att tillverka och nästan lika effektiv som kisel, materialet som traditionellt används i solceller. Dock, perovskit bryts ner snabbt, begränsar dess effektivitet och stabilitet kraftigt över tid. Forskare från Eindhovens tekniska universitet, energiforskningsinstitut DIFFER, Peking University och University of Twente har upptäckt att tillsats av en liten mängd fluor till perovskiten lämnar ett skyddande skikt, ökar stabiliteten hos materialen och solcellerna avsevärt. Solcellerna behåller 90 procent av sin effektivitet efter 1000 timmars drift vid olika extrema testförhållanden. Resultaten publiceras idag i den ledande vetenskapliga tidskriften Naturenergi .

Eftersom de är så billiga att göra, perovskitsolceller har varit i centrum för mycket ny solforskning. Som en konsekvens, deras effektivitet har ökat från mindre än 4 procent 2009 till över 24 procent för närvarande, som ligger nära traditionella kiselceller. Så kallade tandemceller, som kombinerar kisel- och perovskitceller, uppnå en effektivitet på mer än 28 procent.

Trots denna framgång, perovskite har ett antal defekter på grund av materialets art och sättet att tillverka det. Över tid, vakanser i metallhalogenidens atomära struktur utlöser nedbrytningen av perovskiten under påverkan av fukt, ljus och värme.

Skyddsskikt

Forskarna i Eindhoven, Twente och Peking har experimenterat med en ny typ av perovskit, genom att tillsätta en liten mängd fluor i produktionsprocessen. Precis som fluor i tandkräm, fluoridjonerna bildar ett skyddande lager runt kristallen, förhindra spridning av de skadliga defekterna.

"Vårt arbete har förbättrat stabiliteten hos perovskitsolceller avsevärt, "säger Shuxia Tao, biträdande professor vid Centrum för beräkningsenergiforskning, ett gemensamt centrum för Institutionen för tillämpad fysik vid TU/e ​​och DIFFER, och medförfattare till tidningen. "Våra celler bibehåller 90 procent av sin effektivitet efter 1000 timmar under extrema ljus- och värmeförhållanden. Detta är många gånger så länge som traditionella perovskitföreningar. Vi uppnår en effektivitet på 21,3 procent, vilket är en mycket bra utgångspunkt för ytterligare effektivitetsvinster. "

På grund av dess höga eletronegativitet, fluorid stabiliserar perovskitgittret genom att bilda starka vätebindningar och jonbindningar på materialets yta.

Mycket av teamets arbete från Eindhoven har gått in på att förklara varför fluor är en så effektiv ingrediens jämfört med andra halogener. Med hjälp av datorsimuleringar drar de slutsatsen att en del av dess framgång beror på den lilla storleken och den höga elektronegativiteten hos fluoridjoner. Ju högre elektronegativitet ett element har, ju lättare det drar till sig elektroner från närliggande element. Detta hjälper fluoridjoner att bilda starka bindningar med de andra elementen i perovskitföreningen, bildar ett stabilt skyddsskikt.

Framtida forskning

Studien ses som ett viktigt steg mot ett framgångsrikt genomförande av perovskitsolceller i framtiden. Dock, mycket arbete återstår att göra. Guldstandarden inom solindustrin är en retentionsgrad på minst 85 procent av den ursprungliga effektiviteten efter tio till femton år, en standard som fortfarande är en bit bort för perovskitceller.

"Vi förväntar oss att det kommer att ta ytterligare fem till tio år för dessa celler att bli en kommersiellt livskraftig produkt. Inte bara behöver vi ytterligare förbättra deras effektivitet och stabilitet, vi behöver också få en bättre teoretisk förståelse för de relevanta mekanismerna på atomär skala. Vi har fortfarande inte alla svar på varför vissa material är effektivare än andra för att öka den långsiktiga stabiliteten hos dessa celler, säger Tao.