Forskare vid Purdue University och National Renewable Energy Laboratory har upptäckt hur elektroner rör sig i ett nytt kristallint material och denna upptäckt kan leda till en fördubbling av effektiviteten hos solceller. Ultrasnabba mikroskopbilder, som dessa, visa att elektronerna i materialet kan röra sig över 200 nanometer med minimal energiförlust till värme. Kredit:Purdue University bild av Libai Huang
Ett nytt material har visat sig ha förmågan att fördubbla effektiviteten hos solceller av forskare vid Purdue University och National Renewable Energy Laboratory.
Konventionella solceller är högst en tredjedel effektiva, en gräns känd för forskare som Shockley-Queisser Limit. Det nya materialet, en kristallin struktur som innehåller både oorganiska material (jod och bly) och ett organiskt material (metylammonium), ökar effektiviteten så att den kan bära två tredjedelar av energin från ljus utan att förlora lika mycket energi till värme.
I mindre tekniska termer, detta material skulle kunna fördubbla mängden producerad el utan en betydande kostnadsökning.
Tillräckligt med solenergi når jorden för att tillgodose alla planetens energibehov flera gånger om, men att fånga den energin har varit svårt – från och med 2013, endast cirka 1 procent av världens elnät producerades från solpaneler.
Libai Huang, biträdande professor i kemi vid Purdue, säger det nya materialet, kallas en hybrid perovskiter, skulle skapa solceller tunnare än konventionella kiselsolceller, och är dessutom flexibel, billigt och enkelt att göra.
"Mina doktorander lär sig hur man gör det på några dagar, " hon säger.
Genombrottet publiceras denna vecka i tidskriften Vetenskap .
Potentialen att fördubbla effektiviteten hos solceller med ett nytt unikt material har upptäckts av Purdue University och National Renewable Energy Laboratory. Materialet, kallas hybridperovskit, har en "bur" av oorganisk kristall som innehåller en organisk molekyl, metyl-ammonium. Kredit:Purdue University bild av Libai Huang
De vanligaste solcellerna använder kisel som halvledare, som bara kan överföra en tredjedel av energin på grund av bandgapet, vilket är mängden energi som behövs för att förstärka en elektron från ett bundet tillstånd till ett ledande tillstånd, där elektronerna kan röra sig, skapa elektricitet.
Inkommande fotoner kan ha mer energi än bandgapet, och under en mycket kort tid – så kort att det är svårt att föreställa sig – existerar elektronerna med extra energi. Dessa elektroner kallas "heta bärare, " och i kisel existerar de i bara en pikosekund (vilket är 10 -12 sekunder) och endast färdas ett maximalt avstånd på 10 nanometer. Vid denna punkt ger de heta bärarelektronerna upp sin energi som värme. Detta är en av huvudorsakerna till solcellernas ineffektivitet.
Huang och hennes kollegor har utvecklat en ny teknik som kan spåra rörelseomfånget och hastigheten för de heta bärarna genom att använda snabba lasrar och mikroskop.
"Det avstånd som heta bärare behöver för att migrera är åtminstone tjockleken på en solcell, eller cirka 200 nanometer, som detta nya perovskitmaterial kan uppnå, " säger Huang. "Också dessa bärare kan leva i cirka 100 pikosekunder, två storleksordningar längre än kisel."
Kai Zhu, senior forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, och en av tidskriftens medförfattare, säger att dessa är kritiska faktorer för att skapa en kommersiell varmbärarsolcell.
"Denna studie visade att heta bärare i en vanlig polykristallin perovskit tunn film kan färdas en sträcka som är liknande eller längre än filmtjockleken som krävs för att bygga en effektiv perovskit solcell, " säger han. "Detta indikerar att potentialen för att utveckla varmbärarperovskitsolcell är god."
Dock, innan en kommersiell produkt utvecklas, forskare försöker använda samma teknik som utvecklats på Purdue genom att ersätta bly i materialet med andra, mindre giftig, metaller.
"Nästa steg är att hitta eller utveckla lämpliga kontaktmaterial eller strukturer med rätt energinivåer för att extrahera dessa heta bärare för att generera ström i den externa kretsen, " säger Zhu. "Det här kanske inte är lätt."
