Forskare vid Northern Illinois University och U.S. Department of Energy's (DOE) National Renewable Energy Laboratory (NREL) i Golden, Colorado, rapporterar idag (19 februari) i journalen Natur om ett potentiellt genombrott i utvecklingen av hybridperovskitsolceller.

Betraktas som stigande stjärnor inom solenergiområdet, perovskite solceller omvandlar ljus till elektricitet. De är potentiellt billigare och enklare att tillverka än traditionella kiselbaserade solceller och, i liten skala åtminstone i laboratoriemiljöer, har visat på jämförbara effektivitetsnivåer. Men viktiga utmaningar kvarstår innan de kan bli en konkurrenskraftig kommersiell teknologi.

En stor utmaning är användningen av bly. De flesta topppresterande hybridperovskitsolceller innehåller vattenlösligt bly, väcker oro över potentiellt läckage från skadade celler.

Leds av Tao Xu från NIU och Kai Zhu från NREL, ett team av forskare har utvecklat en teknik för att binda bly som används för att tillverka perovskitsolceller och minimera potentiellt toxiskt läckage genom att applicera blyabsorberande filmer på fram- och baksidan av solcellen.

"Blytoxicitetsfrågan har varit en av de mest irriterande, sista milen utmaningar inom perovskite solcellsfält, " sa Xu, en NIU-professor i kemi. "Vi tror att vi har en mycket lovande lösning på det här problemet - och det kan vara en spelomvandlare.

"I händelse av en skadad cell, vår enhet fångar den stora majoriteten av bly, förhindrar att det läcker ut i grundvatten och jord. Filmerna som vi använder är olösliga i vatten."

Under förhållanden med allvarliga solcellsskador i en labbmiljö, de blyabsorberande filmerna sekvestrerade 96 % av blyläckaget, sa forskarna. Deras experiment indikerar vidare att de blyabsorberande skikten inte påverkar cellprestanda eller långsiktig driftsstabilitet negativt.

Perovskitsolceller heter så eftersom de använder en klass av kristallstrukturer som liknar den som finns i mineralet som kallas perovskit. Den perovskitstrukturerade föreningen i dessa solceller är oftast ett hybrid-organiskt-oorganiskt blyhalogenid-baserat material.

Forskare började studera dessa kristallstrukturer för användning i solceller för bara ett decennium sedan och har snabbt ökat sin solenergiomvandlingseffektivitet. Medan traditionella kiselsolceller produceras med exakta processer med höga temperaturer, perovskiter kan tillverkas med kemiska lösningar vid rumstemperatur.

Den nyutvecklade "på-enhetssekvestreringsmetoden" kan lätt integreras med nuvarande perovskite-solcellskonfigurationer, sa Xu.

En transparent blyabsorberande film appliceras på ett ledande glas på framsidan av solcellen. Sekvestreringsfilmen innehåller starka blybindande fosfonsyragrupper men hindrar inte cellinsamling av ljus. En billigare polymerfilm blandad med bly-kelatbildare används på den bakre metallelektroden, som inte behöver transparens.

"Materialen är från hyllan, men de användes aldrig för detta ändamål, " sa Xu. "Ljus måste komma in i cellen för att absorberas av perovskitskiktet, och filmen på framsidan fungerar faktiskt som ett antirefleksmedel, förbättrar transparensen bara lite."

Tester för blyläckage inkluderade att slå på och krossa glaset på framsidan av 2,5-x-2,5 cm-celler, och skrapa baksidan av solcellerna med ett rakblad, innan de sänks ned i vatten. Filmerna kan absorbera den stora majoriteten av blyet i allvarligt skadade celler på grund av vatteninträngning.

"Det är värt att notera att den demonstrerade blybindningsmetoden också är tillämpbar på andra perovskitbaserade teknologier som solid-state belysning, display- och sensorapplikationer, " sa Zhu, en senior forskare vid NREL.