En upptäckt av Rice Universitys ingenjörer för effektiva, stabila dubbelskiktiga perovskitsolceller närmare kommersialisering. Cellerna är ungefär en mikron tjocka, med 2D- och 3D-lager. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Rice Universitys ingenjörer säger att de har löst en långvarig gåta med att göra stabila, effektiva solpaneler av halogenidperovskiter.
Det krävdes att hitta rätt lösningsmedelsdesign för att applicera ett 2D-översta lager med önskad sammansättning och tjocklek utan att förstöra 3D-botten (eller vice versa). En sådan cell skulle förvandla mer solljus till elektricitet än något av lagren för sig, med bättre stabilitet.
Kemi- och biomolekyläringenjör Aditya Mohite och hans labb vid Rice George R. Brown School of Engineering rapporterade inom vetenskap om deras framgång med att bygga tunna 3D/2D-solceller som levererar en effektkonverteringseffektivitet på 24,5 %.
Det är lika effektivt som de flesta kommersiellt tillgängliga solceller, sa Mohite.
"Detta är riktigt bra för flexibla, bifaciala celler där ljus kommer in från båda sidor och även för celler som kommer i kontakt med ryggen", sa han. "2D-perovskiterna absorberar blå och synliga fotoner, och 3D-sidan absorberar nära-infrarött."
Perovskiter är kristaller med kubliknande galler kända för att vara effektiva ljusskördare, men materialen tenderar att stressas av ljus, fukt och värme. Mohite och många andra har arbetat i åratal för att göra perovskitsolceller praktiska.
Det nya framsteg, sade han, tar till stor del bort den sista stora vägspärren för kommersiell produktion.
Tillverkningen av högeffektiva solceller med lager av 2D- och 3D-perovskiter genom flera processer kan förenklas med lösningsmedel som tillåter lösningsavsättning av ett lager utan att förstöra det andra, enligt ny forskning vid Rice University. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Detta är betydelsefullt på flera nivåer," sa Mohite. "En är att det i grunden är utmanande att göra ett lösningsbearbetat dubbelskikt när båda skikten är samma material. Problemet är att de båda löses upp i samma lösningsmedel.
"När du lägger ett 2D-lager ovanpå ett 3D-lager, förstör lösningsmedlet det underliggande lagret", sa han. "Men vår nya metod löser detta."
Mohite sa att 2D-perovskitceller är stabila, men mindre effektiva när det gäller att omvandla solljus. 3D perovskites är mer effektiva men mindre stabila. Att kombinera dem innehåller de bästa egenskaperna hos båda.
"Detta leder till mycket hög effektivitet eftersom vi nu, för första gången på fältet, kan skapa lager med enorm kontroll", sa han. "Det tillåter oss att kontrollera flödet av laddning och energi för inte bara solceller utan även optoelektroniska enheter och lysdioder."
Effektiviteten hos testceller som exponeras för laboratoriets motsvarighet till 100% solljus i mer än 2 000 timmar "försämras inte med ens 1%", sa han. Utan att räkna ett glassubstrat var cellerna cirka 1 mikron tjocka.
Lösningsbearbetning används i stor utsträckning inom industrin och innehåller en rad olika tekniker - spinnbeläggning, doppbeläggning, bladbeläggning, slitsformsbeläggning och andra - för att avsätta material på en yta i en vätska. När vätskan avdunstar finns den rena beläggningen kvar.
Nyckeln är en balans mellan två egenskaper hos själva lösningsmedlet:dess dielektricitetskonstant och Gutmanns donatornummer. Dielektricitetskonstanten är förhållandet mellan materialets elektriska permeabilitet och dess fria utrymme. Det avgör hur väl ett lösningsmedel kan lösa upp en jonförening. Donatornumret är ett mått på lösningsmedelsmolekylernas elektrondonerande förmåga.
"Om du hittar korrelationen mellan dem kommer du att upptäcka att det finns ungefär fyra lösningsmedel som gör att du kan lösa upp perovskiter och spinnbelägga dem utan att förstöra 3D-lagret," sa Mohite.
Han sa att deras upptäckt borde vara kompatibel med rull-till-rulle-tillverkning som vanligtvis producerar 30 meter solcell per minut.
Andrew Torma, en doktorand i tillämpad fysik vid Rice University, validerar den elektroniska strukturen hos en 2D/3D perovskitsolcell. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
Rice Universitys doktorand Siraj Sidhik sätter upp ett experiment för att exponera en perovskitcell med två lager för artificiellt solljus. Celler skapade i Rice lab exponerade för starkt ljus i 2 000 timmar försämrade deras effektivitet med mindre än 1%. Kredit:Jeff Fitlow/Rice University
"Det här genombrottet leder för första gången till heterostrukturer av perovskitenheter som innehåller mer än ett aktivt lager", säger medförfattaren Jacky Even, professor i fysik vid National Institute of Science and Technology i Rennes, Frankrike. "Drömmen om att konstruera komplexa halvledararkitekturer med perovskiter är på väg att gå i uppfyllelse. Nya tillämpningar och utforskning av nya fysiska fenomen kommer att vara nästa steg."
"Detta har konsekvenser inte bara för solenergi utan också för grönt väte, med celler som kan producera energi och omvandla den till väte," sa Mohite. "Det kan också möjliggöra icke-nätbaserad solenergi för bilar, drönare, byggnadsintegrerade solceller eller till och med jordbruk."
Rice doktorand Siraj Sidhik är huvudförfattare till tidningen. + Utforska vidare
