Kredit:CC0 Public Domain
En perovskitsolcell utvecklad av ingenjörer vid University of California San Diego för forskare närmare taket för solcellseffektivitet, föreslår en studie publicerad 10 augusti i Nature .
Den nya solcellen är ett blyfritt lågdimensionellt perovskitmaterial med en supergitterkristallstruktur - en första på området. Det som är speciellt med detta material är att det uppvisar effektiv bärardynamik i tre dimensioner, och dess enhetsorientering kan vara vinkelrät mot elektroderna. Material i denna speciella klass av perovskiter har hittills bara uppvisat sådan dynamik i två dimensioner – en vinkelrätt orienterad solcell har aldrig rapporterats.
Tack vare sin specifika struktur når denna nya typ av supergittersolcell en verkningsgrad på 12,36 %, vilket är den högsta rapporterade för blyfria lågdimensionella perovskitsolceller (den tidigare rekordhållarens verkningsgrad är 8,82%). Den nya solcellen har också en ovanlig öppen kretsspänning på 0,967 V, vilket är högre än den teoretiska gränsen på 0,802 V. Båda resultaten har certifierats oberoende av varandra.
Den öppna kretsspänningen är en solcellsegenskap som bidrar till dess effektivitet, så denna nya solcell "kan ha potential att bryta den teoretiska effektivitetsgränsen för nuvarande solceller", säger seniorförfattaren Sheng Xu, professor i nanoteknik vid studien. UC San Diego. "Det här kan en dag göra det möjligt för oss att uppnå högre effektivitet med mer el från befintliga solpaneler, eller generera samma mängd el från mindre solpaneler till lägre kostnader."
Forskarna antar att materialets förbättrade öppen kretsspänning kan tillskrivas en ny fysisk mekanism som de kallar intrabandsbäraravslappning. Materialets unika supergitterstruktur gör att olika komponenter i solcellen kan integreras i vertikal riktning, vilket skapar en dubbelbandsstruktur i atomskala. Under ljus kunde de exciterade elektronerna slappna av från en komponent (mindre bandgap-region) till en annan komponent (större bandgap-region) innan de kom i jämvikt för att ändra ferminivåerna i supergittersolcellen. Detta bidrar till en högre öppen kretsspänning. Denna process är verifierad att vara relaterad till den inbyggda potentialen i supergittersolcellen. Forskarna erkänner också att det finns andra möjliga mekanismer som uppstår i den unika supergitterstrukturen som kan bidra till dess ovanligt höga öppen kretsspänning.
För att skapa den nya blyfria lågdimensionella perovskitsolcellen använde forskarna kemiska epitaxitekniker för att tillverka ett supergitterkristallnätverk. Nätverkets struktur är unik genom att den består av perovskitkvantbrunnar som är vertikalt inriktade och korsade. Denna korsade struktur gör materialets bärardynamik – som inkluderar elektronmobilitet, livslängd och ledningsbanor i alla tre dimensioner – mer effektiv än att bara ha flera kvantbrunnar. Dessa tekniker kan potentiellt användas för att skapa perovskit-supergitter av olika sammansättningar.
"Detta perovskit-supergitter visar en oöverträffad prestanda för transport av bärare som många forskare inom området har drömt om", säger Yusheng Lei, huvudförfattare till denna uppsats, som var en Ph.D. student i Xus labb vid UC San Diego och är nu postdoktor vid Stanford University.
Supergittret består av en nanokonstruerad fasseparation mellan Bi 3+ legerade och intakta Sn-I-regioner i vertikalt inriktade multipelkvantbrunnar. Denna sammansättning skapar komponentvariationer i atomskalan, vilket i sin tur gör det möjligt för heta bärare att snabbt korsa det heterostrukturella gränssnittet med flera kvantbrunnar innan de slappnar av - en bedrift som vanligtvis är omöjlig att uppnå, förklarade forskarna. Här är det möjligt på grund av den korta diffusionslängden som krävs för att korsa det heterostrukturella gränssnittet.
"Detta arbete öppnar upp en hel del ny spännande potential för klassen av blyfria lågdimensionella perovskitmaterial", säger Xu. Framöver kommer teamet att arbeta med att optimera och skala upp tillverkningsprocessen för att göra supergitterkristallerna, vilket för närvarande fortfarande är mödosamt och utmanande. Xu hoppas kunna engagera partners inom solcellsindustrin för att standardisera processen. + Utforska vidare
