Framtiden blir ljusare för solenergi. Forskare från CU Boulder har skapat en lågkostnadssolcell med en av de högsta effektomvandlingseffektiviteterna hittills, genom att lagra celler och använda en unik kombination av element.

"Vi tog en produkt som är ansvarig för en industri på 30 miljarder dollar per år och gjorde den 30% bättre, " sa Michael McGehee, en professor vid institutionen för kemi- och biologisk teknik och medförfattare till en artikel, publiceras imorgon kl Vetenskap , som beskriver tekniken. "Det är en stor grej."

Forskarna tog en perovskitsolcell, en kristallstruktur som är designad för att skörda fotoner med högre energi, och lade den ovanpå en kiselsolcell, som fångar fler fotoner i den infraröda delen av spektrumet – som består av strålningsenergi som vi inte kan se, men vi kan känna oss som värme. Kombinerad, perovskiten höjer en 21 % kiselsolcell upp till en verkningsgrad på 27 % – vilket ökar den med en tredjedel.

I åratal, kiselsolceller har varit standarden inom solenergiindustrin. Men nuvarande kiselbaserade celler omvandlar bara 18% till 21% av solens energi till användbar el i genomsnitt, och de maxar på cirka 26,6%.

Det betyder att det nu kostar mer att installera cellerna än att köpa dem, sa McGehee, stipendiat i Renewable &Sustainable Energy Institute.

Den genomsnittliga verkningsgraden för solpaneler är lägre än den maximala verkningsgraden, för oavsett hur bra en individ är, liten solcell är, det kommer att förlora cirka tre procentenheter när det appliceras över en stor panel – ungefär som att ett idrottslag bara är lika bra som sin genomsnittliga spelare. Men om du kan höja den totala effektiviteten, du behöver inte installera så många paneler för att få lika mycket ström.

Det som dramatiskt förbättrar effektiviteten är att lägga ytterligare en solcell ovanpå en befintlig – och det är precis vad McGehee och hans forskarkollegor gjorde.

En prisvärd hemlig formel

Det här är inte första gången forskare har skiktat solceller för att öka effektiviteten. Konceptet, även känd som tandem eller multi-junction solceller, introducerades först på 1970-talet – och världsrekordet för solcellseffektivitet är redan över 45 %. Dock, det kom till ett rejält pris:$80, 000 per kvadratmeter, på grund av det faktum att cellerna odlades ett atomlager i taget, skapa en stor, enkristall. Förmodligen inte en kostnad en genomsnittlig husägare eller företag har råd med.

McGehee och hans forskarkollegor är pionjärerna i en ny riktning av skiktade solceller, använder perovskites, som kostar mer än hundra gånger mindre.

De började för mindre än 10 år sedan med konceptet att använda billigare material ovanpå kisel, och uppnådde först endast cirka 13 % effektivitet. Men genom tekniska förbättringar har de kunnat mer än fördubbla det antalet.

Deras hemliga formel innefattar en unik trippelhalogenidlegering av klor, brom, och jod.

I solceller, det finns ett perfekt bandgap, enligt McGehee. Detta är utrymmet mellan energinivåerna i en halvledare, vilka elektroner hoppar mellan och skapar elektrisk energi.

Brom kan öka detta bandgap, men när den används med jod och utsätts för ljus, dessa element stannar inte alltid på plats. Tidigare studier har försökt använda klor och jod tillsammans, men på grund av de olika partikelstorlekarna hos dessa element, inte tillräckligt med klor kunde passa in i perovskitkristallstrukturen. Men genom att använda olika mängder klor, brom, och jod, forskarna kom på ett sätt att krympa kristallstrukturen, låter mer klor passa in – stabiliserar och förbättrar cellens effektivitet.

Perovskites är också billiga, inte energikrävande att göra och lätt att skapa i labbet. Och även efter 1000 timmar – eller nästan 42 dagar – av intensiv ljus- och värmetestning, dessa nya solceller visade en minimal förändring i deras initiala effektivitet.

Med solenergimarknaden som växer runt 30 % per år, effektivitet, kostnad och livslängd är viktiga faktorer för vilka ny teknik kommer att bli mainstream.

McGehee är optimistisk om potentialen i detta breda bandgap, skiktad perovskit solcell.

Inte bara har den nu överträffat den maximala effektiviteten för en solcell som endast innehåller kisel, "vi tror att det kan ta oss över 30 % effektivitet och att det kan vara stabilt, " sa McGehee.